Биодизель и смеси

Можно ли зимой на высоте лить топливо с биодизелем и сколько его можно подмешать? Выбирай сырье и долю B, морози и храни смесь и смотри на помутнение, ПТФ, цетановое число, теплоту, смазку и стабильность.

01 Что это такое

Биодизель это топливо из растительного масла или жира, переделанного в метиловые эфиры жирных кислот (FAME). Его подмешивают к обычному дизельному топливу: B7 значит 7 % биодизеля и 93 % нефтяного.

Растительное масло само по себе слишком густое для форсунок. Его молекула похожа на букву Е: три длинные цепочки жирных кислот висят на глицерине. Если отрезать цепочки метанолом, получатся три легкие молекулы метилового эфира и глицерин. Эти эфиры по вязкости и горению близки к дизельному топливу. Сырье разное: рапсовое и соевое масло, пальмовое, отработанный фритюрный жир, животный жир. От сырья зависит главное для нас свойство: при какой температуре биодизель мутнеет и забивает фильтры. У биодизеля выше цетановое число, отличная смазывающая способность и почти нет серы. Зато он боится мороза, тянет воду, окисляется при хранении и в литре несет меньше тепла.

Ломаные линии: цепочки жирных кислот. Черные цепочки с двойной связью изогнуты и плохо складываются в кристалл. Рыжая насыщенная цепочка ровная и легко укладывается в кристалл, поэтому пальмовый и животный биодизель мутнеет уже в прохладную погоду.

B_x: Доля биодизеля в смеси, % по объему. B7 разрешено в обычном дизельном топливе по EN 590, B10 описывает EN 16734, B20 в США ASTM D7467, чистый B100 EN 14214 и ASTM D6751.
CP: Температура помутнения, °C (ISO 3015). Первые кристаллы, топливо мутнеет. У рапсового биодизеля около −3 °C, у пальмового и из животного жира от +13 до +16 °C.
ПТФ: Предельная температура фильтруемости, °C (CFPP, EN 116, ГОСТ 22254). Ниже нее кристаллы забивают сетку фильтра и топливо перестает идти.

02 Опыт

Выбирай сырье. Добавляй биодизель. Морози и храни. СМЕСЬ B

ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО

Можно ли лить эту смесь зимой на высоте?

Рис. 15.11

ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Помутнение / ПТФ

Расход топлива, литры

Высота, −40 °C

03 Формулы по буквам

Сколько тепла в смеси, когда она мутнеет и под какой стандарт попадает

Теплота и цетановое число смеси считаются по долям. С морозом сложнее: кристаллы дают насыщенные эфиры, и несколько процентов пальмового биодизеля поднимают помутнение сильнее, чем можно подумать. Числа берутся из опыта.

Сколько тепла в литре смеси?

Q_см = (1 − f) · Q_д + f · Q_б

Двигателю нужна энергия, а не литры. В литре биодизеля тепла меньше, поэтому на ту же работу литров уходит больше: расход растет в Q_д / Q_см раз. Цетановое число смеси считается так же, по долям.

Q_см: низшая теплота сгорания смеси, МДж/л
f: доля биодизеля по объему: B20 это f = 0,2
Q_д: дизельное топливо: около 43 МДж/кг, 35,9 МДж/л
Q_б: биодизель: около 37,3 МДж/кг, 32,9 МДж/л. Почему кислород в молекуле уменьшает теплоту, смотри в химии «Теплота сгорания топлив»

При какой температуре выпадут кристаллы?

ln x = −(ΔH / R) · (1/T − 1/T_пл)

Уравнение Шредера и ван Лаара: насыщенный эфир растворен в топливе, пока его доля x меньше растворимости. Чем холоднее, тем растворимость меньше. Когда они сравнялись, начинается помутнение.

x: мольная доля насыщенных эфиров в смеси: f · s, где s доля насыщенных в биодизеле
ΔH: теплота плавления эфира, около 55 кДж/моль
R: газовая постоянная, 8,314 Дж/(моль·К)
T, T_пл: температура помутнения и плавления чистого эфира (метилпальмитат около 30 °C), К

Под какой стандарт попадает смесь?

B ≤ 7 → EN 590 · B10 → EN 16734 · B6–B20 → ASTM D7467 · B100 → EN 14214

В обычное дизельное топливо по EN 590 и ГОСТ 32511 разрешено подмешивать до 7 % FAME, и на колонке это может быть не написано. Больше уже особое топливо, на которое двигатель должен быть допущен производителем.

EN 14214: чистый FAME: цетановое не меньше 51, стабильность не меньше 8 ч, вода не больше 500 мг/кг
ASTM D6751: американский стандарт на B100 для смешения, цетановое не меньше 47
ГОСТ 32511: то же, что EN 590: до 7 % FAME

Почему биодизель окисляется и забивает фильтры после перехода

В цепочках рапсового и соевого масла есть двойные связи. К ним легко цепляется кислород воздуха, особенно в тепле и на свету. Сначала копятся перекиси, потом кислоты и смолы: растет кислотность, топливо темнеет, на дне бака выпадает осадок. Поэтому B100 советуют использовать в течение полугода и добавляют в него антиокислители, а EN 14214 требует, чтобы ускоренное окисление при 110 °C начиналось не раньше чем через 8 ч.

Биодизель еще и хороший растворитель. Если бак годами работал на нефтяном топливе, на стенках лежат смолы и грязь. Первые заправки смесью B20 и выше смывают их, и фильтры тонкой очистки забиваются за считаные часы. На это закладывают запас фильтров.

Еще две беды связаны с маслом и резиной. При регенерации сажевого фильтра поздний впрыск часть топлива смывает на стенки цилиндра; нефтяное топливо потом испаряется из масла, а биодизель кипит выше и копится в картере, разжижает масло. Старые уплотнения из бутадиен-нитрильной резины от высоких смесей набухают и твердеют.

Насыщенные цепочки без двойных связей окисляются медленно, но именно они кристаллизуются на морозе. Сырья, хорошего во всем, нет.

04 Где и зачем это применяют

Биодизель полезен там, где тепло и топливо не залеживается

Смазывающая способность
Уже 1–2 % биодизеля возвращают малосернистому топливу смазывающие свойства, которые убрала очистка от серы. Пятно HFRR падает ниже 460 мкм. Подробно о смазке и износе ТНВД в теме «Сера, вода и абразив: коррозия и износ».
Зима и высокогорье
На высоте при −40 °C опасна даже доля B7, если биодизель пальмовый или из жира. Топливо на зиму проверяют по температуре помутнения и ПТФ всей смеси, а не по паспорту базового топлива. Подробно в теме «Парафин на морозе: помутнение, CFPP, застывание».
Хранение
Резервный запас топлива для дизель-генераторов держат месяцами, и смесь с биодизелем в нем окисляется, тянет воду и обрастает микробами. Такой запас лучше держать на чистом нефтяном топливе или обновлять чаще.
Переход на смесь
Перед переходом на B20 и выше бак чистят, а первые недели меняют фильтры чаще. Иначе смытые со стенок смолы остановят машину посреди смены.
Моторное масло
На двигателях с сажевым фильтром при высоких смесях следят за разжижением масла топливом: его видно в анализе масла по вязкости и по содержанию топлива. Как это меряют, смотри в теме «Анализ масла».
Сравнение по теплу
Литр B100 равен по теплу примерно 0,92 литра дизельного топлива. Поэтому сравнивать цены честно за единицу тепла: если литр дизельного взять за 100 %, то литр B100 выгоден, только если стоит меньше примерно 92 %.

Допущения модели+

Температура помутнения и ПТФ чистого биодизеля взяты из сводки свойств по сырью (данные Renewable Energy Group, приведенные на biodieseleducation.org): рапсовый −3,3 и −13 °C, соевый 0,9 и −4 °C, из фритюра 2,4 и −2 °C, пальмовый 13 и 12 °C, из животного жира 16 и 14 °C. Для смесей помутнение считается по уравнению Шредера и ван Лаара для насыщенных эфиров с поправкой, чтобы B100 совпал с этими данными; реальные смеси зависят от состава базового топлива и депрессорных присадок. Для базового топлива взяты ПТФ классов EN 590 и ГОСТ 32511 и типичные температуры помутнения (летнее около −2 °C принято условно). Цетановые числа сырья типичные: рапс 54, соя 48, фритюр 56, пальма 61, жир 60. Теплота сгорания 35,9 и 32,9 МДж/л, смешение линейное. Смазывающая способность считается для базового топлива без противоизносной присадки (580 мкм). Срок хранения до заметного окисления оценен грубо по стабильности сырья; антиокислитель продлевает его. Растворимость воды: около 70 мг/кг у дизельного топлива и около 1400 мг/кг у биодизеля при 20 °C. Это учебная модель: допуск биодизеля для конкретного двигателя дает только его производитель.

Химия этой темы

Термины в словаре:Гидролиз эстера Нитрильная резина Температура помутнения FAME, биодизель Окислительная стабильность

Еще в направлении «Инженерия»

Все темы направления «Инженерия» →