Резюме
Проучване
Хомогенизацията, базирана на кавитация, е обещаващ метод за подобряване на стабилността и характеристиките на горивата. Чрез генериране на интензивни микромехурчета, които се разрушават насилствено, кавитацията насърчава както физическото смесване, така и лекото химическо активиране, като подобрява реологията, дисперсията и поведението при горене. В това изследване се оценява въздействието на кавитацията върху смесите от HFO, биодизел и глицерин, като се оценяват плътността, вискозитетът, съдържанието на сяра и метали, калоричността, образуването на утайки и работата на двигателя.
В таблица 1 са обобщени сравнителните физични и химични свойства на трите основни компонента на горивото, използвани в това изследване: HFO 380, биодизел (FAME) и глицерин. HFO 380 служи като базов еталон, докато биодизелът и глицеринът служат като възобновяеми компоненти за смесване без съдържание на сяра. Техните контрастни плътности, вискозитет и съдържание на кислород са ключови фактори, влияещи върху поведението на сместа по време на хомогенизиране и изгаряне. Разбирането на тези базови свойства осигурява основата за оценка на ефективността на кавитационната обработка на RAPTECH за подобряване на еднородността, стабилността и цялостното качество на горивото.
Таблица 1: Сравнителни свойства на горивото HFO 380, биодизел (FAME) и глицерин.
2. Материали и методи
3. Резултати и обсъждане
3.1 Физични свойства и реология
Фигура 1: Плътност на горивната смес в зависимост от температурата
По отношение на тежестта на API, показана на фигура 2, най-ниската стойност се наблюдава за чистия HFO 380, което отразява относително високата му плътност. Когато HFO се смесва с помощта на кавитация, тежестта на API леко се увеличава, което показва скромно намаляване на плътността. По-ясно изразен ефект се наблюдава, когато се добави 20% биодизел чрез ръчно смесване, тъй като биодизелът има значително по-ниска плътност от HFO, което води до значително повишаване на API гравитацията. Най-високата плътност на API се постига при HFO, съдържащ 20 % биодизел, обработен чрез кавитация. В този случай разликата между ръчното смесване и смесването с кавитация е сравнително малка, но процесът на кавитация все пак осигурява допълнително подобрение на API гравитацията извън ефекта на самия биодизел.
Фигура 2: Тежест на API за изследваните смеси от горива
Фигура 3: Кинематичен вискозитет на горивната смес в зависимост от температурата
3.2 Химични свойства и подобряване на горивата
Фигура 4: Съдържание на сяра за изследваните смеси от горива
Фигура 5: Съдържание на ванадий, силиций и алуминий в изследваните горивни смеси
Фигура 6: Изследвана нетна калоричност Смес на горива
Фигура 7: Температура на възпламеняване на изследваната смес Fuels
Фигура 8: Температура на застиване на изследваната смес от горива
3.3 Утайки, пепел и въглеродни остатъци
Фигура 9: Общо съществуващи утайки (%маса) за изследваната смес от горива
Фигура 10: Потенциал на общите утайки (% маса) за изследваната смес от горива
Това значително подобрение показва значително по-висока стабилност на горивото и значително по-малък риск от образуване на утайки по време на съхранение и работа на двигателя. Знае се, че образуването на утайки при бункероването на кораби остава постоянно оперативно и регулаторно предизвикателство със значителни икономически последици.
Всъщност степента на образуване на утайки зависи от различни фактори, включително от състава на горивото, условията на съхранение и практиките за обработка. Експлоатационният опит и указанията на ИМО показват, че образуването на утайки по време на пречистването и съхранението на горивото обикновено варира от 1 до 3 % от обема на консумирания HFO, въпреки че това се отнася до остатъците от сепаратора/бункера и не трябва да се отъждествява пряко със спецификацията за утайки по ISO 8217.
За кораб, съхраняващ 1000 тона HFO 380:
Таблица 2. Икономическо въздействие на образуването на утайки от HFO380
За плавателен съд, потребяващ 20 000 т HFO годишно, това съответства на икономия на гориво от приблизително 20-200 т годишно или около 10 000-100 000 USD годишно (въз основа на референтна цена от 500 USD/t). По-високите цени на горивата или по-голямото потребление биха увеличили пропорционално тези икономии.
Трябва да се отбележи, че тези оценки отчитат само пряката загуба на стойност на горивото. На практика разходите за управление на утайките често са по-високи поради задължителното им обезвреждане съгласно приложение I към MARPOL, пристанищните такси за приемане и изискванията за обработка на утайките, които могат значително да надхвърлят простата стойност на загубеното гориво.
Чрез комбиниране на системно управление на горивото с усъвършенствана хомогенизация на базата на кавитация операторите могат да:
Фигура 11: Съдържание на пепел (% масови) за изследваните смеси от горива.
Намаляването на въглеродния остатък от чистия HFO до HFO-20% биодизел, илюстрирано на фигура 12, се дължи главно на заместването на тежките ароматни въглеводороди с по-леките кислородни естери на мастни киселини на биодизела. Допълнителното намаление, наблюдавано при сместа HFO-10%биодизел-5% глицерин, се дължи на богатия на кислород състав на глицерина, който спомага за по-пълно термично разлагане и ограничава образуването на огнеупорни остатъци. Лекото увеличение с около 3 % на въглеродните остатъци при кавитационна обработка на HFO-20 % биодизел се дължи на засиленото активиране на термичното разлагане, предизвикано от интензивното разбъркване, генерирано по време на кавитацията, в сравнение с ръчното смесване. Тези модификации подобряват ефективността на горенето, намаляват саждите и отлаганията в двигателите и улесняват по-гладкото боравене с горивото по време на бункероване и съхранение.
Фигура 12: Въглероден остатък (%маса) за изследваните горивни смеси.
3.4 Изгаряне и ефективност на двигателя
Смесите от HFO-FAME, произведени чрез кавитация, бяха тествани и оценени за ефективността в четиритактов корабен дизелов двигател в сравнение с конвенционално (грубо) произведените смеси от HFO-FAME. Изследванията са проведени на пълен стенд за изпитване на двигатели, предоставен от FVTR GmbH, на базата на двигател Caterpillar MaK 6M20. Следващите точки обобщават основните резултати от изпитването:
3.5 Обобщение на подобренията в горивото и изгарянето - "CaviFlow® Performance Gains"
На този етап цялостното въздействие на кавитационната обработка на RAPTECH върху свойствата на горивото, горивните характеристики и експлоатационната ефективност може да се обобщи по следния начин. Данните потвърждават измерими физични, химични и икономически предимства на кавитационно обработените горива в сравнение с конвенционално смесените.
Таблица 3. Ключови предимства на ефективността при кавитационна обработка CaviFlow®
Таблица 4. Очаквано годишно икономическо въздействие на оптимизацията на горивото чрез кавитация
Ако приемем сценарий за танкер с 50 000 DWT, работещ с компонент FAME от приблизително 20 %, има намаление на нетния емисионен фактор на CO₂ от 3,114 t CO₂ / t гориво за чист HFO до 2,856 t CO₂ / t гориво, когато се вземат предвид ползите от ефективността на кавитационната технология на RAPTECH. Това съответства на общо намаление на емисиите на CO₂ с около 1,548 t годишно, което ефективно повишава рейтинга CII на кораба от C на B. Очакваното икономическо и екологично въздействие на тези подобрения е обобщено в таблица 4, като се подчертават комбинираните предимства по отношение на енергийната ефективност, намаляването на емисиите и икономиите на оперативни разходи.
Тези консолидирани подобрения потвърждават, че кавитационната обработка ефективно подобрява цялостната работа на смесените корабни горива - подобрява енергийната ефективност, експлоатационната надеждност и съответствието с изискванията за опазване на околната среда.
4. Заключение
Хомогенизацията с помощта на кавитация демонстрира ясен потенциал за подобряване на физичните и химичните свойства на смесените горива - в това изследване смесите от HFO, биодизел и глицерин.
Основните наблюдавани ползи включват:
Тези констатации показват, че кавитационната хомогенизация може да служи като мащабируем, енергийно ефективен и екологично съвместим процес за подобряване и стабилизиране на смесени корабни горива. Продължаващите изследвания на механизмите на кавитационно-индуцираната химическа модификация и дългосрочната работа на двигателя ще подпомогнат допълнително интегрирането му в устойчиви системи за бункероване и обработка на горива.
Автори: д-р Ахмад Сайлам | Рохит Сурия Нараян | Олег Верешшагин | Нишит Реди Черукуру | RAPTECH Eberswalde GmbH
Препратки
1. Международна морска организация (ИМО). Регламент на ИМО относно горната граница на съдържанието на сяра за 2020 г. IMO, London, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifications of Marine Fuels (Спецификации на корабните горива). международна организация по стандартизация, Женева, 2017 г.
3. EN 14214. Метилови естери на мастните киселини (FAME) за горива за биодизел - изисквания и методи за изпитване. Европейски комитет по стандартизация, Брюксел, 2012 г.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology (Кавитационна технология за смесване): Техническа брошура. Raptech, 2024 г.
5. FVTR GmbH. Доклад от пълно изпитване на двигател - CaterpillarMaK 6M20, смеси HFO-биодизел-глицерин. FVTR, 2025 Г.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends (Стабилизиране на горивото и намаляване на емисиите в морските приложения с използване на биодизелови смеси), Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
- В това изследване се оценява ефектът от кавитационната хомогенизация върху тежко гориво (HFO 380) и неговите смеси с биодизел и глицерин за морски приложения. HFO, HFO-20% биодизел (B20) и HFO-10% биодизел-5% глицерин (B10G5) са сравнени при конвенционално ръчно смесване и кавитационна обработка.
- Кавитацията значително подобри няколко свойства на горивото, включително вискозитета (намаление с до 19 %), съдържанието на сяра (намаление с 1,5-19 %) и металните замърсители (намаление с до 33 %), като същевременно запази сравнима калоричност. Тестовете на пълномащабен двигател Caterpillar MaK 6M20 потвърдиха подобрена стабилност на горене, намалени изисквания за предварително загряване, леко спестяване на гориво (~1%) и последователни профили на емисиите.
- Тези резултати показват, че кавитацията насърчава ефективното смесване и хомогенизиране, улеснява работата с утайки и остатъчна вода и предизвиква лека (регулируема) химическа активация на място. Като цяло, кавитационната обработка представлява практически път към по-чисто, по-ефективно и устойчиво използване на смесени корабни горива.
- Корабоплавателната индустрия е подложена на все по-голям натиск за намаляване на емисиите и подобряване на горивната ефективност, породен от ограничението за съдържание на сяра на ИМО за 2020 г., разпоредбите за въглероден интензитет и нарастващото използване на алтернативни горива. Тежкият мазут (HFO) продължава да се използва широко поради високото си енергийно съдържание, но е необходимо смесване с възобновяеми компоненти като биодизел и глицерин, за да се спазят екологичните разпоредби и да се подобрят характеристиките на горене.
Проучване
Хомогенизацията, базирана на кавитация, е обещаващ метод за подобряване на стабилността и характеристиките на горивата. Чрез генериране на интензивни микромехурчета, които се разрушават насилствено, кавитацията насърчава както физическото смесване, така и лекото химическо активиране, като подобрява реологията, дисперсията и поведението при горене. В това изследване се оценява въздействието на кавитацията върху смесите от HFO, биодизел и глицерин, като се оценяват плътността, вискозитетът, съдържанието на сяра и метали, калоричността, образуването на утайки и работата на двигателя.
В таблица 1 са обобщени сравнителните физични и химични свойства на трите основни компонента на горивото, използвани в това изследване: HFO 380, биодизел (FAME) и глицерин. HFO 380 служи като базов еталон, докато биодизелът и глицеринът служат като възобновяеми компоненти за смесване без съдържание на сяра. Техните контрастни плътности, вискозитет и съдържание на кислород са ключови фактори, влияещи върху поведението на сместа по време на хомогенизиране и изгаряне. Разбирането на тези базови свойства осигурява основата за оценка на ефективността на кавитационната обработка на RAPTECH за подобряване на еднородността, стабилността и цялостното качество на горивото.
| Parameter | Единица | HFO 380 (ISO 8217:2017) | Биодизел (FAME, EN 14214) | Глицерин (суров/рафиниран) |
|---|---|---|---|---|
| Плътност при 15°C | kg/m³ | Макс. 991 | 860-900 | 1,260-1,270 |
| Кинематичен вискозитет при 50°C | mm²/s | Макс. 380 | 4-6 | ~1,200 (при 40°C) |
| Съдържание на сяра | % (m/m) | Макс. 3,50 | <0.001 | 0 |
| Съдържание на пепел | % (m/m) | Макс. 0,15 | <0.02 | <0.01 |
| Точка на изливане | °C | Макс. 30 | -5 до +15 | ~18 |
| Температура на запалване | °C | Мин. 60 | >120 | >160 |
| Общ потенциал на седиментите | % (m/m) | Макс. 0,10 | - | - |
| Общо утайки Съществуващи | % (m/m) | Макс. 0,10 | - | - |
| Брутна калоричност | MJ/kg | 41.5-42.5 | 39-40 | ~16 |
| Нетна калоричност | MJ/kg | 40-41 | 37-38 | ~14-15 |
| Съдържание на кислород | % (m/m) | ~0 | 10-12 | ~52 |
| Въглероден остатък (CCR) | % (m/m) | ~15 | <0.05 | <0.01 |
Таблица 1: Сравнителни свойства на горивото HFO 380, биодизел (FAME) и глицерин.
2. Материали и методи
- Горива: HFO 380, биодизел (FAME), глицерин
- Смеси: HFO, HFO-20% биодизел (B20), HFO-10% биодизел-5% глицерин (B10G5)
- Смесване: Конвенционално ръчно смесване (HB/Coarse) и смесване с помощта на кавитация (CF), използвайки системата CaviFlow® на RAPTECH.
- Анализи: Плътност, тежест по API, кинематичен вискозитет, сяра, метали, калоричност, температура на възпламеняване, температура на изливане, общо съдържание на седименти (TSE), общ потенциал на седименти (TSP), съдържание на пепел и въглероден остатък, измерени в Bureau Veritas
- Изпитване на двигателя: FVTR GmbH пълномащабен стенд за изпитване на корабни дизелови двигатели (Caterpillar MaK 6M20). Записани са производителността, емисиите, времето на изгаряне и разходът на гориво
3. Резултати и обсъждане
3.1 Физични свойства и реология
- Плътност и тежест на API: Тъй като биодизелът (860-900 kg/m³ при 15 °С) има по-ниска плътност от HFO 380, а и двете са по-малко плътни от глицерина (1264 kg/m³ при 15 °С), Фигура 1 илюстрира намаляването на плътността при добавяне на биодизел към HFO 380 и съответното увеличаване при добавяне на глицерин. Тя също така подчертава предимството на използването на кавитационната технология пред стандартното ръчно смесване, като се постига допълнително намаляване на плътността с приблизително 0,3 %.
Фигура 1: Плътност на горивната смес в зависимост от температурата
По отношение на тежестта на API, показана на фигура 2, най-ниската стойност се наблюдава за чистия HFO 380, което отразява относително високата му плътност. Когато HFO се смесва с помощта на кавитация, тежестта на API леко се увеличава, което показва скромно намаляване на плътността. По-ясно изразен ефект се наблюдава, когато се добави 20% биодизел чрез ръчно смесване, тъй като биодизелът има значително по-ниска плътност от HFO, което води до значително повишаване на API гравитацията. Най-високата плътност на API се постига при HFO, съдържащ 20 % биодизел, обработен чрез кавитация. В този случай разликата между ръчното смесване и смесването с кавитация е сравнително малка, но процесът на кавитация все пак осигурява допълнително подобрение на API гравитацията извън ефекта на самия биодизел.
Фигура 2: Тежест на API за изследваните смеси от горива
- Вискозитет: Фигура 3 представя подобна тенденция за кинематичния вискозитет, като подчертава разликите между HFO 380 и неговите смеси с биодизел и глицерин. Забележително е, че HFO с 20% биодизел, обработен чрез кавитация, постига до 19% намаление на вискозитета в сравнение с ръчното смесване. От практическа гледна точка това намаление на вискозитета и плътността може да се отдаде на двойното действие на кавитацията - нейната способност за интензивно смесване, която ефективно смесва горива с различен произход, и нейния силен хомогенизиращ ефект, който стабилизира сместа и подобрява нейните реологични и горивни характеристики. Заедно тези механизми улесняват изпомпването, намаляват нуждата от енергия за предварително загряване с приблизително 6 % и подобряват разпръскването на горивото, като по този начин подобряват ефективността на горенето и намаляват образуването на сажди и неизгорели въглеводороди.
Фигура 3: Кинематичен вискозитет на горивната смес в зависимост от температурата
3.2 Химични свойства и подобряване на горивата
- Намаляване на съдържанието на сяра: Тъй като биодизелът и глицеринът не съдържат сяра, на фигура 4 е показано очакваното намаляване на съдържанието на сяра между чистия HFO и смесите му с биодизел и глицерин. Частичната химическа активация, предизвикана от кавитацията - особено при глицерина, действащ като носител на кислород - може да обясни наблюдаваните допълнителни намаления: приблизително 1,5 % между ръчно смесените и обработените с кавитация горива HFO-20 % биодизел и около 19 % между обработените с кавитация смеси HFO-20 % биодизел и HFO-20 % биодизел-5 % глицерин. Това показва, че кавитацията не само осигурява мощно смесване на различни видове горива и силна хомогенизация, но също така подпомага усъвършенстването на горивата, като подпомага лекото регулиране на химическата модификация на компонентите на горивата на място.
Фигура 4: Съдържание на сяра за изследваните смеси от горива
- Метални замърсители (Cat Fines): Фигура 5 показва, че засилената физическа дисперсия и частичните химически трансформации, предизвикани от кавитацията, могат да обяснят наблюдаваното намаляване на Cat Fines - микроскопични частици от отработен катализатор, съставени предимно от силициеви и алуминиеви оксиди, които обикновено присъстват в остатъчните горива, като например тежък мазут (HFO). Наблюдава се намаление с до 33 % между ръчно смесените и кавитационно смесените горива и с до 50 % между необработения HFO и HFO, съдържащ 10 % биодизел и 5 % глицерин след кавитационна обработка. Това намаление предполага, че кавитацията спомага за по-фино разпръскване и евентуално за частична модификация на повърхността или фрагментация на тези остатъци от катализатора, което води до подобряване на хомогенността на горивото и потенциално по-ниски рискове от абразивно износване в системите за обработка на горивото.
Фигура 5: Съдържание на ванадий, силиций и алуминий в изследваните горивни смеси
- Топлинна стойност: Тъй като калоричността на HFO е по-висока от тази на биодизела и глицерина, добавянето на биодизел и глицерин води до намаляване на нетната калоричност. Частичното повишаване на реактивността на горивото чрез кавитационна обработка може да обясни допълнителното намаление от около 0,2 %, наблюдавано между ръчно смесените и кавитационно смесените горива, както е показано на фигура 6. Това незначително намаление се компенсира на практика от подобрената ефективност на изгаряне, по-чистото горене и по-стабилното запалване - всичко това е от полза за работата на морските двигатели и контрола на емисиите.
Фигура 6: Изследвана нетна калоричност Смес на горива
- Температура на възпламеняване: Тъй като температурата на възпламеняване на HFO е значително по-ниска от тази на биодизела, добавянето на биодизел повишава температурата на възпламеняване на сместа. Въпреки това интензивната хомогенизация, постигната чрез кавитационна обработка, води до значително намаляване на температурата на възпламеняване с около 20 % в сравнение с ръчно смесеното гориво, както е показано на фигура 7. Това намаление отразява по-равномерното разпределение на по-леките фракции в сместа, което може да улесни обработката на горивото и изпаряването му при стартиране на двигателя, без да се нарушават границите на безопасност при операции по зареждане.
Фигура 7: Температура на възпламеняване на изследваната смес Fuels
- Температура на изливане: Тъй като температурата на втечняване на HFO е значително по-висока от тази на биодизела, добавянето на биодизел понижава температурата на втечняване, подобрявайки свойствата на потока при ниски температури и намалявайки изискванията за предварително загряване по време на прехвърляне и впръскване. Не се наблюдава забележимо влияние на кавитационната обработка върху температурата на застиване в сравнение с ръчно смесеното гориво (фигура 8), което показва, че кавитацията влияе предимно върху микроструктурата и реактивността, а не върху фазовите преходи в насипно състояние.
Фигура 8: Температура на застиване на изследваната смес от горива
3.3 Утайки, пепел и въглеродни остатъци
- Утаяване: Намаляването на общото количество на съществуващите утайки (TSE) с около 33 %, наблюдавано при смесването на HFO с биодизел (Фигура 9), се дължи главно на амфифилната природа на биодизела, която стабилизира асфалтените чрез полярни взаимодействия и подобрява хомогенността и вискозитета на горивото, като по този начин предотвратява агрегацията и утаяването. Допълнително намаление от приблизително 33 % на TSE се постига чрез хомогенизиране на базата на кавитация на сместа от HFO и биодизел в сравнение с ръчното смесване.
Фигура 9: Общо съществуващи утайки (%маса) за изследваната смес от горива
- Значителното намаляване на общия потенциал на утайките (TSP) с около 60 %, наблюдавано при смесването на HFO с биодизел (Фигура 10), също се дължи главно на амфифилната природа на биодизела, която стабилизира асфалтените чрез полярни взаимодействия и подобрява еднородността на горивото и свойствата на потока, като по този начин свежда до минимум агрегацията и образуването на утайки. Допълнително намаление с около 25 % на TSP се получава чрез хомогенизиране на базата на кавитация на сместа от HFO и биодизел в сравнение с ръчното смесване.
Фигура 10: Потенциал на общите утайки (% маса) за изследваната смес от горива
Това значително подобрение показва значително по-висока стабилност на горивото и значително по-малък риск от образуване на утайки по време на съхранение и работа на двигателя. Знае се, че образуването на утайки при бункероването на кораби остава постоянно оперативно и регулаторно предизвикателство със значителни икономически последици.
Всъщност степента на образуване на утайки зависи от различни фактори, включително от състава на горивото, условията на съхранение и практиките за обработка. Експлоатационният опит и указанията на ИМО показват, че образуването на утайки по време на пречистването и съхранението на горивото обикновено варира от 1 до 3 % от обема на консумирания HFO, въпреки че това се отнася до остатъците от сепаратора/бункера и не трябва да се отъждествява пряко със спецификацията за утайки по ISO 8217.
За кораб, съхраняващ 1000 тона HFO 380:
| Сценарий | Маса на утайката (t) | Обем на охлюва (m³) | Загуба на разходи за гориво @ $500/t |
|---|---|---|---|
| Ниска оценка (1% vol) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| Висока оценка (3% vol) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
Таблица 2. Икономическо въздействие на образуването на утайки от HFO380
За плавателен съд, потребяващ 20 000 т HFO годишно, това съответства на икономия на гориво от приблизително 20-200 т годишно или около 10 000-100 000 USD годишно (въз основа на референтна цена от 500 USD/t). По-високите цени на горивата или по-голямото потребление биха увеличили пропорционално тези икономии.
Трябва да се отбележи, че тези оценки отчитат само пряката загуба на стойност на горивото. На практика разходите за управление на утайките често са по-високи поради задължителното им обезвреждане съгласно приложение I към MARPOL, пристанищните такси за приемане и изискванията за обработка на утайките, които могат значително да надхвърлят простата стойност на загубеното гориво.
Чрез комбиниране на системно управление на горивото с усъвършенствана хомогенизация на базата на кавитация операторите могат да:
- да поддържат дългосрочна стабилност на горивото
- Намалят разходите за поддръжка, престой и изхвърляне
- Подобрят използването на горивото, надеждността на двигателя и безопасността на работа
- да осигурят съответствие с приложение I към MARPOL, като същевременно намалят рисковете за околната среда
- Остатъци от пепел и въглерод: Тъй като биодизелът не съдържа пепел, на фигура 11 е показано очакваното намаляване на съдържанието на пепел при смесването му с чист HFO. Кавитацията допълнително засилва този ефект, като подпомага по-финото разпръскване и частичното фрагментиране на повърхността на пепелните частици, което води до допълнително намаляване с около 4 % в сместа от HFO и биодизел. По-ниското съдържание на пепел допринася за по-чисто съхранение и обработка, намалява замърсяването на тръбопроводите и резервоарите по време на бункероване и подпомага по-ефективното изгаряне с по-малко образуване на частици в двигателите.
Фигура 11: Съдържание на пепел (% масови) за изследваните смеси от горива.
Намаляването на въглеродния остатък от чистия HFO до HFO-20% биодизел, илюстрирано на фигура 12, се дължи главно на заместването на тежките ароматни въглеводороди с по-леките кислородни естери на мастни киселини на биодизела. Допълнителното намаление, наблюдавано при сместа HFO-10%биодизел-5% глицерин, се дължи на богатия на кислород състав на глицерина, който спомага за по-пълно термично разлагане и ограничава образуването на огнеупорни остатъци. Лекото увеличение с около 3 % на въглеродните остатъци при кавитационна обработка на HFO-20 % биодизел се дължи на засиленото активиране на термичното разлагане, предизвикано от интензивното разбъркване, генерирано по време на кавитацията, в сравнение с ръчното смесване. Тези модификации подобряват ефективността на горенето, намаляват саждите и отлаганията в двигателите и улесняват по-гладкото боравене с горивото по време на бункероване и съхранение.
Фигура 12: Въглероден остатък (%маса) за изследваните горивни смеси.
3.4 Изгаряне и ефективност на двигателя
Смесите от HFO-FAME, произведени чрез кавитация, бяха тествани и оценени за ефективността в четиритактов корабен дизелов двигател в сравнение с конвенционално (грубо) произведените смеси от HFO-FAME. Изследванията са проведени на пълен стенд за изпитване на двигатели, предоставен от FVTR GmbH, на базата на двигател Caterpillar MaK 6M20. Следващите точки обобщават основните резултати от изпитването:
- Вискозитет и предварително загряване: Намалената температура на впръскване (>6 K) понижава нуждата от енергия за подгряване
- Време на горене: Малко по-ранно начало и край на горенето, малко по-кратка продължителност, което води до незначителни икономии на гориво (~1 %) и малко по-високи стойности на NOx поради съдържанието на кислород
- Емисии: CO, CO₂, HC, O₂ и FSN остават сходни с ръчно смесеното гориво; не се наблюдават оперативни проблеми.Обработената с кавитация смес HFO-FAME демонстрира ясни практически предимства при експлоатацията на морските двигатели. Нейният по-нисък вискозитетнамалява изискванията за енергия за подгряване, улеснява впръскването и допринася за незначителни ползи по отношение на разхода на гориво. Изгарянето остава стабилно и надеждно, като емисиите са до голяма степен сравними с тези на конвенционалните смеси, с изключение на очакваното незначително увеличение на NOx поради по-високото съдържание на кислород. Тези резултати показват, че кавитационното смесване не само подобрява реологичните и горивните характеристики на горивата HFO-FAME, но също така подпомага по-безопасното, по-ефективно и по-надеждно бункероване и работата на двигателя в практическите морски приложения.
3.5 Обобщение на подобренията в горивото и изгарянето - "CaviFlow® Performance Gains"
На този етап цялостното въздействие на кавитационната обработка на RAPTECH върху свойствата на горивото, горивните характеристики и експлоатационната ефективност може да се обобщи по следния начин. Данните потвърждават измерими физични, химични и икономически предимства на кавитационно обработените горива в сравнение с конвенционално смесените.
| Parameter | Подобрение | Ефект |
|---|---|---|
| Вискозитет при 50 °C | ↓ ≈ 13 % | По-лесно изпомпване, намалено потребление на енергия за предварително загряване |
| Специфичен разход на мазут (SFOC) | ↓ ≈ 1 % | Повишена ефективност на горенето, малка икономия на гориво |
| Образуване на утайка (обикновено 1-3 % обемни) | ↓ ≈ 99 % (практически елиминиран) | По-чисти филтри, без претоварване на сепаратора, стабилна и непрекъсната работа |
| Обща ефективност на съотношението гориво-мощност | ↑ ≈ 4 % (икономия на гориво) | Еквивалентно на ≈ 1,2 т/ден за танкер с тонаж 50 000 DWT |
| Работа на двигателя | Стабилно горене с минимално повишаване на NOₓ | Надеждна и постоянна работа |
| Въздействие върху околната среда | По-ниско съдържание на седименти, пепел и сяра | По-чисто изгаряне, по-лесно спазване на стандартите на IMO/MARPOL |
Таблица 3. Ключови предимства на ефективността при кавитационна обработка CaviFlow®
| Спестяване на площ | Годишно въздействие (€) | Основание/обяснение |
|---|---|---|
| Ефективност на горивото (~4 %) | € 200 000 - 250 000 | 4 % от разходите за гориво |
| СТЕ на ЕС / Спестяване на CO₂ | € 108 000 - 110 000 | 1,548 т × 70 EUR (приблизително) / т CO₂ |
| Съответствие и харта Premium | € 50 000 - 200 000 | По-добри чартърни тарифи |
| Оперативна ефективност и поддръжка | € 20 000 - 40 000 | По-чисто изгаряне → по-малко износване на двигателя |
| Пречиствател / нагревател за пестене на енергия | € 5 000 - 10 000 | По-нисък вискозитет → намалено натоварване |
| Общ потенциал за спестяване | ≈ 380 000 - 600 000 евро на кораб / година | С изключение на промените в цените на горивата |
Таблица 4. Очаквано годишно икономическо въздействие на оптимизацията на горивото чрез кавитация
Ако приемем сценарий за танкер с 50 000 DWT, работещ с компонент FAME от приблизително 20 %, има намаление на нетния емисионен фактор на CO₂ от 3,114 t CO₂ / t гориво за чист HFO до 2,856 t CO₂ / t гориво, когато се вземат предвид ползите от ефективността на кавитационната технология на RAPTECH. Това съответства на общо намаление на емисиите на CO₂ с около 1,548 t годишно, което ефективно повишава рейтинга CII на кораба от C на B. Очакваното икономическо и екологично въздействие на тези подобрения е обобщено в таблица 4, като се подчертават комбинираните предимства по отношение на енергийната ефективност, намаляването на емисиите и икономиите на оперативни разходи.
Тези консолидирани подобрения потвърждават, че кавитационната обработка ефективно подобрява цялостната работа на смесените корабни горива - подобрява енергийната ефективност, експлоатационната надеждност и съответствието с изискванията за опазване на околната среда.
4. Заключение
Хомогенизацията с помощта на кавитация демонстрира ясен потенциал за подобряване на физичните и химичните свойства на смесените горива - в това изследване смесите от HFO, биодизел и глицерин.
Основните наблюдавани ползи включват:
- подобрено смесване и еднородност, включително ефективно разпръскване на утайките и остатъчната вода, което води до намаляване на вискозитета и по-лесно боравене с горивото
- Частична (регулируема) химическа активация на място, водеща до измеримо намаляване на сярата, пепелта и металните замърсители, както и до по-ниско образуване на утайки
- Стабилно поведение при горене с леки икономии на гориво (~1%) и само незначителни увеличения на NOₓ поради по-високото съдържание на кислород
- Намалени изисквания към експлоатацията и поддръжката, включително енергия за предварително загряване и управление на утайките
Тези констатации показват, че кавитационната хомогенизация може да служи като мащабируем, енергийно ефективен и екологично съвместим процес за подобряване и стабилизиране на смесени корабни горива. Продължаващите изследвания на механизмите на кавитационно-индуцираната химическа модификация и дългосрочната работа на двигателя ще подпомогнат допълнително интегрирането му в устойчиви системи за бункероване и обработка на горива.
Автори: д-р Ахмад Сайлам | Рохит Сурия Нараян | Олег Верешшагин | Нишит Реди Черукуру | RAPTECH Eberswalde GmbH
Препратки
1. Международна морска организация (ИМО). Регламент на ИМО относно горната граница на съдържанието на сяра за 2020 г. IMO, London, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifications of Marine Fuels (Спецификации на корабните горива). международна организация по стандартизация, Женева, 2017 г.
3. EN 14214. Метилови естери на мастните киселини (FAME) за горива за биодизел - изисквания и методи за изпитване. Европейски комитет по стандартизация, Брюксел, 2012 г.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology (Кавитационна технология за смесване): Техническа брошура. Raptech, 2024 г.
5. FVTR GmbH. Доклад от пълно изпитване на двигател - CaterpillarMaK 6M20, смеси HFO-биодизел-глицерин. FVTR, 2025 Г.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends (Стабилизиране на горивото и намаляване на емисиите в морските приложения с използване на биодизелови смеси), Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
