چکیده
این نتایج نشان میدهد که کاویتاسیون به اختلاط و همگنسازی کارآمد کمک میکند، رسیدگی به لجن و آب باقی
مطالعه
همگنسازی مبتنی بر کویتاسیون روشی امیدوارکننده برای بهبود پایداری و عملکرد سوخت است. کویتاسیون با ایجاد میکروبابلهای شدید که به شدت فرو میریزند، هم ترکیب فیزیکی و هم فعالسازی شیمیایی ملایم را ترویج میدهد و در نتیجه رئولوژی، پراکندگی و رفتار احتراق را بهبود میبخشد. این مطالعه اثرات کویتاسیون را بر مخلوطهای HFO–بایودیزل–گلیسیرین ارزیابی میکند و چگالی، ویسکوزیته، محتوای گوگرد و فلزات، ارزش حرارتی، تشکیل رسوبات و عملکرد موتور را بررسی مینماید.
جدول ۱ خواص فیزیکی و شیمیایی مقایسهای سه جزء اصلی سوخت مورد استفاده در این مطالعه: HFO 380، بیدزل (FAME) و گلیسیرین را خلاصه میکند. HFO 380 به عنوان مرجع پایه عمل میکند، در حالی که بیدزل و گلیسیرین به عنوان اجزای اختلاط تجدیدپذیر و بدون گوگرد عمل میکنند. چگالیها، ویسکوزیتهها و محتوای اکسیژن متضاد آنها عوامل کلیدی در تأثیر بر رفتار مخلوط در حین همگنسازی و احتراق هستند. درک این خواص پایه، مبنایی برای ارزیابی عملکرد درمان کویتاسیون RAPTECH در بهبود یکنواختی، پایداری و کیفیت کلی سوخت فراهم میکند.
جدول ۱: خواص مقایسهای سوختهای HFO 380، بیدیزل (FAME) و گلیسیرین.
۲. مواد و روشها
۳. نتایج و بحث
۳.۱ خواص فیزیکی و رئولوژی
شکل ۱: چگالی مخلوط سوخت بر حسب دما
از نظر گرانش API، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، کمترین مقدار برای HFO 380 خالص مشاهده میشود که نشاندهنده چگالی نسبتاً بالای آن است. هنگامی که HFO با استفاده از کاویتاسیون مخلوط میشود، گرانش API کمی افزایش مییابد که نشاندهنده کاهش اندکی در چگالی است. اثر بارزتری مشاهده میشود زمانی که ۲۰٪ بیودیزل با مخلوط کردن دستی اضافه میشود، زیرا بیودیزل چگالی بسیار کمتری نسبت به HFO دارد که منجر به افزایش قابل توجهی در گرانش API میشود. بالاترین عدد API در HFO حاوی ۲۰٪ بیدیزل که با کویتیشن فرآوری شده است، به دست میآید. در این مورد، تفاوت بین مخلوطکاری دستی و مخلوطکاری با کویتیشن نسبتاً کم است، اما فرآیند کویتیشن همچنان بهبودی اضافی در عدد API فراتر از اثر صرف بیدیزل فراهم میکند.
شکل ۲: گرانروی API برای ترکیب سوختهای مورد مطالعه
شکل ۳: ویسکوزیته سینماتیک مخلوط سوختها در مقابل دما
۳.۲ خواص شیمیایی و ارتقای سوخت
شکل ۴: محتوای گوگرد برای مخلوط سوختهای مورد مطالعه
شکل ۵: محتوای وانادیم، سیلیکون و آلومینیوم در مخلوط سوختهای مورد مطالعه
شکل ۶: ارزش حرارتی خالص مورد مطالعه. ترکیب سوختها
شکل ۷: نقطه اشتعال برای مخلوط سوختهای مورد مطالعه
شکل ۸: نقطه ریزش برای ترکیب سوختهای مورد مطالعه
۳.۳ رسوبات، خاکستر و باقیمانده کربن
شکل ۹: کل رسوبات موجود (درصد جرمی) برای مخلوط سوختهای مورد مطالعه
شکل 9 عمدتاً به طبیعت آمفیلیكی دیزلزیست نسبت داده میشود که از طریق برهمکنشهای قطبی، آسفالتنها ر
شکل 10: پتانسیل کل رسوبات (درصد جرمی) برای مخلوط سوختهای مورد مطالعه
این بهبود قابل توجه، نشاندهنده پایداری سوخت بسیار بالاتر و خطر به مراتب کمتر تشکیل لجن در حین ذخیرهسازی و کارکرد موتور است. با علم به اینکه تشکیل لجن در سوختگیری کشتیها همچنان یک چالش عملیاتی و نظارتی مداوم با پیامدهای اقتصادی قابل توجه است.
در واقع، نرخ تشکیل لجن به عوامل مختلفی از جمله ترکیب سوخت، شرایط نگهداری و شیوههای جابجایی بستگی دارد. تجربه عملی و دستورالعملهای IMO نشان میدهد که تولید لجن در حین تصفیه و نگهداری سوخت معمولاً بین ۱ تا ۳ درصد حجمی از HFO مصرفی متغیر است، هرچند این مقدار به باقیماندههای جداکننده/تانکر سوخترسانی مربوط میشود و نباید مستقیماً با مشخصات رسوب ISO 8217 یکسان در نظر گرفته شود.
برای کشتیای که ۱۰۰۰ تن HFO 380 ذخیره میکند:
جدول ۲. تأثیر اقتصادی تشکیل لجن از HFO380
برای کشتیای که سالانه ۲۰,۰۰۰ تن HFO مصرف میکند، این معادل صرفهجویی سوخت تقریباً ۲۰ تا ۲۰۰ تن در سال، یا حدود ۱۰,۰۰۰ تا ۱۰۰,۰۰۰ دلار آمریکا در سال ( بر اساس قیمت مرجع ۵۰۰ دلار به ازای هر تن) است. قیمتهای بالاتر سوخت یا مصرف بیشتر، این صرفهجوییها را به همان نسبت افزایش خواهد داد.
شایان ذکر است که این برآوردها تنها شامل زیان مستقیم ارزش سوخت میشوند. در عمل، هزینههای مدیریت لجن به دلیل دفع اجباری طبق ضمیمه I مارپول، هزینههای پذیرش در بندر و الزامات رسیدگی به پسابها (slops)، اغلب بالاتر است که میتواند به طور قابل توجهی از هزینه ساده سوخت از دست رفته فراتر رود.
با ترکیب مدیریت سیستماتیک سوخت با همگنسازی پیشرفته مبتنی بر کاویتاسیون، اپراتورها میتوانند:
شکل ۱۱: محتوای خاکستر (درصد وزنی) برای ترکیب سوختهای مورد مطالعه.
کاهش رسوب کربن از HFO خالص به مخلوط HFO–20٪ بیدزل، که در شکل 12 نشان داده شده است، عمدتاً به دلیل جایگزینی هیدروکربنهای سنگین و آروماتیک با استرهای اسید چرب سبکتر و اکسیژندار بیدزل است. کاهش اضافی مشاهدهشده برای مخلوط HFO–۱۰٪ بیودیزل–۵٪ گلیسیرین ناشی از ترکیب غنی از اکسیژن گلیسیرین است که تجزیه حرارتی کاملتری را تسهیل کرده و تشکیل باقیماندههای نسوز را محدود میکند. افزایش جزئی حدود ۳٪ در رسوب کربن با استفاده از درمان کاویتاسیون برای سوخت HFO–۲۰٪ زیستدیزل، به فعالسازی بیشتر تجزیه حرارتی نسبت داده میشود که توسط همزنی شدید ایجاد شده در حین کاویتاسیون در مقایسه با مخلوط کردن دستی، القا میشود. این تغییرات راندمان احتراق را بهبود میبخشند، دوده و رسوبات را در موتورها کاهش میدهند و جابجایی روانتر سوخت را در حین عملیات سوختگیری و انبارداری تسهیل میکنند.
شکل ۱۲: باقیمانده کربن (درصد وزنی) برای ترکیب سوختهای مورد مطالعه.
۳.۴ احتراق و عملکرد موتور
ترکیبهای HFO–FAME تولیدشده با استفاده از کاویتاسیون برای عملکرد در یک موتور دیزل دریایی چهارزمانه آزمایش و ارزیابی شدند، در مقایسه با ترکیبهای HFO–FAME تولیدشده به روش متعارف (درشت). این تحقیقات بر روی یک رینگ تست موتور کامل ارائهشده توسط شرکت FVTR GmbH، مبتنی بر موتور Caterpillar MaK 6M20، انجام شد. موارد زیر خلاصهای از نتایج اصلی آزمایش را ارائه میدهند:
ویسکوزیته و پیشگرمکردن: کاهش دمای تزریق (>۶ کلوین) نیاز انرژی پیشگرمکردن را کاهش داد.
۳.۵ خلاصه بهبودهای سوخت و احتراق – «افزایش عملکرد CaviFlow®»
در این مرحله، میتوان اثرات کلی «تصفیه کاویتاسیون» شرکت RAPTECH بر خواص سوخت، عملکرد احتراق و کارایی عملیاتی را به شرح زیر خلاصه کرد. دادهها مزایای فیزیکی، شیمیایی و اقتصادی قابل اندازهگیری را برای سوختهای تحت تصفیه کاویتاسیون در مقایسه با سوختهای مخلوطشده به روش متداول تأیید میکنند.
جدول ۳. بهبودهای کلیدی عملکرد با درمان کاویتاسیون CaviFlow®
جدول ۴. تأثیر اقتصادی سالانه تخمینی بهینهسازی سوخت مبتنی بر کاویتاسیون
با فرض یک سناریوی عملیاتی برای یک نفتکش با ظرفیت ۵۰ ۰۰۰ تن DWT که با حدود ۲۰٪ ترکیب FAME کار میکند، با در نظر گرفتن مزایای کارایی فناوری کاویتاسیون RAPTECH، ضریب انتشار خالص CO₂ از ۳.۱۱۴ تن CO₂ به ازای هر تن سوخت برای HFO خالص به ۲.۸۵۶ تن CO₂ به ازای هر تن سوخت کاهش مییابد. این معادل صرفهجویی کلی در CO₂ به میزان حدود ۱.۵۴۸ تن در سال است که به طور مؤثر رتبه CII کشتی را از C به B ارتقا میدهد. تأثیر اقتصادی و زیستمحیطی تخمینی این بهبودها در جدول ۴ خلاصه شده است که مزایای ترکیبی را از نظر بهرهوری انرژی، کاهش آلایندگی و صرفهجویی در هزینههای عملیاتی برجسته میکند.
این بهبودهای یکپارچه تأیید میکند که درمان کاویتاسیون به طور مؤثر عملکرد کلی سوختهای دریایی ترکیبی را بهبود میبخشد — و کارایی انرژی، قابلیت اطمینان عملیاتی و انطباق با محیط زیست را ارتقا میدهد.
۴. نتیجهگیری
همگنسازی با کمک کاویتاسیون پتانسیل روشنی برای بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی سوختهای ترکیبی دارد — در این مطالعه، ترکیبات HFO، زیستدیزل و گلیسیرین.
مزایای کلیدی مشاهدهشده عبارتند از:
این یافتهها نشان میدهند که همگنسازی با کاویتاسیون میتواند به عنوان یک فرآیند مقیاسپذیر، بهینه از نظر مصرف انرژی و سازگار با محیط زیست برای ارتقا و تثبیت سوختهای دریایی ترکیبی عمل کند. تحقیقات مستمر در مورد سازوکارهای اصلاحات شیمیایی القا شده توسط کاویتاسیون و عملکرد بلندمدت موتور، به ادغام بیشتر آن در سیستمهای سوختگیری پایدار و تصفیه سوخت کمک خواهد کرد.
نویسندگان: دکتر احمد سیلام | روهیت سوریا نارایان | اولگ ورشچاگین | نیشیت ردی چروکور | RAPTECH Eberswalde GmbH
منابع
۱. سازمان بینالمللی دریانوردی (IMO). مقررات سقف گوگرد IMO 2020. IMO، لندن، ۲۰۲۰.
۲. ISO 8217:2017. مشخصات سوختهای دریایی. سازمان بینالمللی استانداردسازی، ژنو، ۲۰۱۷.
۳. EN 14214. استرهای متیل اسیدهای چرب (FAME) برای سوخت بیدزل – الزامات و روشهای آزمون. کمیته اروپایی استانداردسازی، بروکسل، ۲۰۱۲.
۴. Raptech GmbH. فناوری ترکیب با همزنی کویتاسیون CaviFlow®: بروشور فنی. Raptech، ۲۰۲۴.
۵. شرکت FVTR. گزارش تست کامل موتور – CaterpillarMaK 6M20، مخلوطهای HFO–بایودیزل–گلیسیرین. FVTR، ۲۰۲۵.
۶. کی. کیران و همکاران، تثبیت سوخت و کاهش انتشار در کاربردهای دریایی با استفاده از مخلوطهای بایودیزل، مجله Energy Fuels، ۲۰۲۰، ۳۴، ۹۸۷–۹۹۸.
- این مطالعه اثر همگنسازی با کاویتاسیون بر نفت سنگین (HFO 380) و مخلوطهای آن با زیستدیزل و گلیسیرین برای کاربردهای دریایی را ارزیابی میکند. نفت سنگین، نفت سنگین–۲۰٪ زیستدیزل (B20) و نفت سنگین–۱۰٪ زیستدیزل–۵٪ گلیسیرین (B10G5) تحت همآمیختگی دستی متعارف و درمان کاویتاسیون مقایسه شدند.
- کاویتاسیون چندین ویژگی سوخت، از جمله ویسکوزیته (تا ۱۹٪ کاهش)، محتوای گوگرد (کاهش ۱.۵ تا ۱۹٪) و آلایندههای فلزی (تا ۳۳٪ کاهش) را به طور قابل توجهی بهبود بخشید، در حالی که ارزش حرارتی را در سطح قابل مقایسه حفظ کرد. آزمایشهای تماممقیاس موتور روی یک موتور کاترپیلار MaK 6M20، پایداری احتراق بهتر، کاهش نیاز به پیشگرمکردن، صرفهجویی جزئی در سوخت (~۱٪) و پروفایلهای انتشار یکنواخت را تأیید کرد.
این نتایج نشان میدهد که کاویتاسیون به اختلاط و همگنسازی کارآمد کمک میکند، رسیدگی به لجن و آب باقی
- این نتایج نشان میدهد که کاویتاسیون به اختلاط و یکنواختسازی کارآمد کمک میکند ، کار با لجن و آب باقیمانده را تسهیل میبخشد و باعث فعالسازی شیمیایی ملایم (قابل تنظیم) در محل میشود . در مجموع، فرآوری مبتنی بر کاویتاسیون، مسیری عملی را به سوی استفاده تمیزتر، کارآمدتر و پایدارتر از سوختهای دریایی مخلوطشده ارائه میدهد.
- صنعت کشتیرانی تحت فشار فزایندهای برای کاهش انتشار آلایندهها و بهبود بهرهوری سوخت قرار دارد که این فشار ناشی از محدودیت گوگرد IMO 2020، مقررات شدت کربن و استفاده روزافزون از سوختهای جایگزین است. نفتسنگین (HFO) به دلیل محتوای بالای انرژی همچنان به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد، اما برای رعایت مقررات زیستمحیطی و بهبود ویژگیهای احتراق، مخلوط کردن آن با اجزای تجدیدپذیر مانند زیستدیزل و گلیسیرین ضروری است.
مطالعه
همگنسازی مبتنی بر کویتاسیون روشی امیدوارکننده برای بهبود پایداری و عملکرد سوخت است. کویتاسیون با ایجاد میکروبابلهای شدید که به شدت فرو میریزند، هم ترکیب فیزیکی و هم فعالسازی شیمیایی ملایم را ترویج میدهد و در نتیجه رئولوژی، پراکندگی و رفتار احتراق را بهبود میبخشد. این مطالعه اثرات کویتاسیون را بر مخلوطهای HFO–بایودیزل–گلیسیرین ارزیابی میکند و چگالی، ویسکوزیته، محتوای گوگرد و فلزات، ارزش حرارتی، تشکیل رسوبات و عملکرد موتور را بررسی مینماید.
جدول ۱ خواص فیزیکی و شیمیایی مقایسهای سه جزء اصلی سوخت مورد استفاده در این مطالعه: HFO 380، بیدزل (FAME) و گلیسیرین را خلاصه میکند. HFO 380 به عنوان مرجع پایه عمل میکند، در حالی که بیدزل و گلیسیرین به عنوان اجزای اختلاط تجدیدپذیر و بدون گوگرد عمل میکنند. چگالیها، ویسکوزیتهها و محتوای اکسیژن متضاد آنها عوامل کلیدی در تأثیر بر رفتار مخلوط در حین همگنسازی و احتراق هستند. درک این خواص پایه، مبنایی برای ارزیابی عملکرد درمان کویتاسیون RAPTECH در بهبود یکنواختی، پایداری و کیفیت کلی سوخت فراهم میکند.
| Parameter | واحد | HFO 380 (ISO 8217:2017) | بایودیزل (FAME، EN 14214) | گلیسیرین (خام/پالایششده) |
|---|---|---|---|---|
| چگالی در دمای ۱۵ درجه سانتیگراد | کیلوگرم بر متر مکعب | حداکثر ۹۹۱ | 860-900 | 1,260-1,270 |
| ویسکوزیته سینماتیک در ۵۰ درجه سانتیگراد | میلی متر مربع در ثانیه | حداکثر ۳۸۰ | 4-6 | حدود ۱۲۰۰ (در دمای ۴۰ درجه سانتیگراد) |
| محتوای گوگرد | درصد (وزن در وزن) | حداکثر ۳.۵۰ | کمتر از ۰.۰۰۱ | 0 |
| محتوای خاکستر | درصد (وزن در وزن) | حداکثر ۰.۱۵ | کمتر از ۰.۰۲ | کمتر از ۰.۰۱ |
| نقطه ریزش | درجه C | حداکثر ۳۰ | −۵ تا +۱۵ | ~18 |
| نقطهٔ جوش | درجه C | حداقل ۶۰ | ۱۲۰ | صد و شصت |
| پتانسیل کل رسوبات | درصد (وزن در وزن) | حداکثر ۰.۱۰ | - | - |
| مجموع رسوبات موجود | درصد (وزن در وزن) | حداکثر ۰.۱۰ | - | - |
| ارزش حرارتی ناخالص | میلیگرم بر کیلوگرم | 41.5-42.5 | 39-40 | ~16 |
| ارزش حرارتی خالص | میلیگرم بر کیلوگرم | 40-41 | 37-38 | ~14-15 |
| محتوای اکسیژن | درصد (وزن در وزن) | ~0 | 10-12 | ~52 |
| باقیمانده کربنی (CCR) | درصد (وزن در وزن) | ~15 | کمتر از ۰.۰۵ | کمتر از ۰.۰۱ |
جدول ۱: خواص مقایسهای سوختهای HFO 380، بیدیزل (FAME) و گلیسیرین.
۲. مواد و روشها
- سوختها: HFO 380، بیدزل (FAME)، گلیسیرین
- ترکیبها: HFO، HFO–۲۰٪ زیستدیزل (B20)، HFO–۱۰٪ زیستدیزل–۵٪ گلیسیرین (B10G5)
- مخلوطسازی: مخلوطسازی دستی متعارف (HB/Coarse) و مخلوطسازی با کمک کاویتاسیون (CF) با استفاده از سیستم CaviFlow® شرکت RAPTECH
- آنالیزها: چگالی، گرانش API، ویسکوزیته سینماتیک، گوگرد، فلزات، ارزش حرارتی، نقطه اشتعال، نقطه ریزش، کل رسوبات موجود (TSE)، کل رسوبات بالقوه (TSP)، خاکستر، و باقیمانده کربن، اندازهگیری شده در بورو ورítas
- آزمایش موتور: میز آزمون دیزل دریایی در مقیاس کامل شرکت FVTR GmbH (کاترپیلار MaK 6M20). عملکرد، آلایندگی، زمان احتراق و مصرف سوخت ثبت شد.
۳. نتایج و بحث
۳.۱ خواص فیزیکی و رئولوژی
- چگالی و گرانش API: از آنجایی که بیودیزل (۸۶۰–۹۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب در دمای ۱۵ درجه سانتیگراد) چگالی کمتری نسبت به HFO 380 دارد، و هر دو چگالی کمتری نسبت به گلیسیرین (۱۲۶۴ کیلوگرم بر متر مکعب در دمای ۱۵ درجه سانتیگراد) دارند، شکل ۱ کاهش چگالی هنگام افزودن بیودیزل به HFO 380 و افزایش متناظر آن هنگام افزودن گلیسیرین را نشان میدهد. همچنین مزیت استفاده از فناوری کاویتاسیون را بر همزنی دستی استاندارد برجسته میکند که منجر به کاهش چگالی اضافی تقریباً ۰.۳٪ میشود.
شکل ۱: چگالی مخلوط سوخت بر حسب دما
شکل ۱: چگالی مخلوط سوخت بر حسب دما
از نظر گرانش API، همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، کمترین مقدار برای HFO 380 خالص مشاهده میشود که نشاندهنده چگالی نسبتاً بالای آن است. هنگامی که HFO با استفاده از کاویتاسیون مخلوط میشود، گرانش API کمی افزایش مییابد که نشاندهنده کاهش اندکی در چگالی است. اثر بارزتری مشاهده میشود زمانی که ۲۰٪ بیودیزل با مخلوط کردن دستی اضافه میشود، زیرا بیودیزل چگالی بسیار کمتری نسبت به HFO دارد که منجر به افزایش قابل توجهی در گرانش API میشود. بالاترین عدد API در HFO حاوی ۲۰٪ بیدیزل که با کویتیشن فرآوری شده است، به دست میآید. در این مورد، تفاوت بین مخلوطکاری دستی و مخلوطکاری با کویتیشن نسبتاً کم است، اما فرآیند کویتیشن همچنان بهبودی اضافی در عدد API فراتر از اثر صرف بیدیزل فراهم میکند.
شکل ۲: گرانروی API برای ترکیب سوختهای مورد مطالعه
- ویسکوزیته: شکل ۳ روند مشابهی را برای ویسکوزیته سینماتیک نشان میدهد و تفاوتهای بین HFO 380 و ترکیبات بیودیزل و گلیسیرین آن را برجسته میکند. شایان ذکر است که HFO با ۲۰٪ بیودیزل که با فرآیند کاویتاسیون فرآوری شده است، در مقایسه با مخلوطکردن دستی تا ۱۹٪ کاهش ویسکوزیته را به دست میآورد. از دیدگاه عملی، این کاهش ویسکوزیته و چگالی را میتوان به اثر دوگانه کاویتاسیون نسبت داد — قابلیت اختلاط شدید آن که به طور مؤثر سوختهای با منشأ متفاوت را مخلوط میکند و اثر همگنسازی قوی آن که مخلوط را تثبیت کرده و ویژگیهای رئولوژیکی و احتراکی آن را بهبود میبخشد. این مکانیزمها در مجموع، پمپاژ را آسانتر کرده، نیاز به انرژی پیشگرم را تقریباً ۶٪ کاهش داده و آتومیزاسیون سوخت را افزایش میدهند و در نتیجه بازده احتراق را بهبود بخشیده و تشکیل دوده و هیدروکربنهای نسوخته را کاهش میدهند.
شکل ۳: ویسکوزیته سینماتیک مخلوط سوختها در مقابل دما
۳.۲ خواص شیمیایی و ارتقای سوخت
- کاهش گوگرد: از آنجایی که بیدیزل و گلیسیرین فاقد گوگرد هستند، شکل ۴ کاهش مورد انتظار در محتوای گوگرد را بین HFO خالص و ترکیبات آن با بیدیزل و گلیسیرین نشان میدهد. فعالسازی شیمیایی جزئی ناشی از کویتاسیون — بهویژه با عملکرد گلیسیرین بهعنوان حامل اکسیژن — ممکن است کاهشهای اضافی مشاهدهشده را توضیح دهد: تقریباً ۱.۵٪ بین سوختهای HFO–۲۰٪ زیستدیزل که بهصورت دستی مخلوط شدهاند و آنهایی که با کویتاسیون فرآوری شدهاند، و حدود ۱۹٪ بین سوخت HFO–۲۰٪ زیستدیزل و مخلوطهای HFO–۲۰٪ زیستدیزل–۵٪ گلیسیرین که با کویتاسیون فرآوری شدهاند. این امر نشان میدهد که کاویتاسیون نه تنها ترکیب قدرتمند انواع مختلف سوخت و همگنسازی قوی را فراهم میکند، بلکه به ارتقای سوخت نیز کمک کرده و اصلاحات شیمیایی ملایم، قابل تنظیم درجا و جزئی در اجزای سوخت را تسهیل مینماید.
شکل ۴: محتوای گوگرد برای سوختهای ترکیبی مورد مطالعه
شکل ۴: محتوای گوگرد برای مخلوط سوختهای مورد مطالعه
- آلایندههای فلزی (ذرات ریز کاتالیست): شکل ۵ نشان میدهد که پراکندگی فیزیکی بهبود یافته و تبدیلات شیمیایی جزئی القا شده توسط کاویتاسیون ممکن است کاهش مشاهده شده در ذرات ریز کاتالیست را توضیح دهد — ذرات میکروسکوپی کاتالیست مصرف شده که عمدتاً از اکسیدهای سیلیکون و آلومینیوم تشکیل شده و معمولاً در سوختهای باقیمانده مانند نفتفور (HFO) وجود دارند. کاهش تا ۳۳٪ بین سوختهای مخلوطشده بهصورت دستی و مخلوطشده با کاویتاسیون، و تا ۵۰٪ بین HFO بدوندرمان و HFO حاوی ۱۰٪ بیودیزل و ۵٪ گلیسیرین پس از درمان کاویتاسیون مشاهده شد. این کاهش نشان میدهد که کاویتاسیون باعث پراکندگی ریزتر و احتمالاً اصلاح جزئی سطح یا خردشدن این باقیماندههای کاتالیزوری میشود که منجر به یکنواختی بهتر سوخت و در نتیجه به طور بالقوه کاهش خطر سایش سایشی در سیستمهای انتقال سوخت میگردد.
شکل ۵: محتوای وانادیم، سیلیکون و آلومینیوم در مخلوط سوختهای مورد مطالعه
- ارزش حرارتی: از آنجایی که ارزش حرارتی HFO بالاتر از بیودیزل و گلیسیرین است، افزودن بیودیزل و گلیسیرین منجر به کاهش ارزش حرارتی خالص میشود. افزایش جزئی واکنشپذیری سوخت از طریق تیمار کاویتاسیون میتواند کاهش اضافی حدود ۰.۲٪ مشاهدهشده بین سوختهای مخلوطشده بهصورت دستی و مخلوطشده با کاویتاسیون را توضیح دهد، همانطور که در شکل ۶ نشان داده شده است. این کاهش جزئی در عمل با بهبود کارایی احتراق، سوختن تمیزتر و رفتار احتراق پایدارتر جبران میشود — که همگی برای عملکرد موتورهای دریایی و کنترل آلایندهها مفید هستند.
شکل ۶: ارزش حرارتی خالص مورد مطالعه. ترکیب سوختها
- نقطه اشتعال: به همین ترتیب، از آنجایی که نقطه اشتعال HFO به طور قابل توجهی پایینتر از بیودیزل است، افزودن بیودیزل نقطه اشتعال مخلوط را افزایش میدهد. با این حال، همجوشی شدیدی که از طریق عملیات کویتاسیون حاصل میشود، منجر به کاهش قابل توجه حدود ۲۰ درصدی در نقطه اشتعال در مقایسه با سوخت دستی مخلوطشده میشود، همانطور که در شکل ۷ نشان داده شده است. این کاهش نشاندهنده توزیع یکنواختتر فرآوردههای سبکتر در داخل مخلوط است که میتواند بدون به خطر انداختن حاشیه ایمنی در عملیات سوختگیری، کار با سوخت و تبخیر آن را در هنگام راهاندازی موتور تسهیل کند.
شکل ۷: نقطه اشتعال برای مخلوط سوختهای مورد مطالعه
- نقطه ریزش: به همین ترتیب، از آنجایی که نقطه ریزش HFO به طور قابل توجهی بالاتر از بیودیزل است، افزودن بیودیزل نقطه ریزش را کاهش داده، خواص جریان در دمای پایین را بهبود میبخشد و نیاز به پیشگرم کردن در حین انتقال و تزریق را کاهش میدهد. تأثیر قابل توجهی از درمان کویتاسیون بر روی نقطه ریزش در مقایسه با سوخت دستی مخلوط شده مشاهده نمیشود (شکل ۸)، که نشان میدهد کویتاسیون عمدتاً بر ریزساختار و واکنشپذیری تأثیر میگذارد تا انتقال فازهای حجمی.
شکل ۸: نقطه ریزش برای ترکیب سوختهای مورد مطالعه
۳.۳ رسوبات، خاکستر و باقیمانده کربن
- رسوبگذاری: کاهش حدود ۳۳ درصدی در کل رسوب موجود (TSE) که هنگام مخلوط کردن HFO با زیستدیزل مشاهده میشود (شکل ۹)، عمدتاً به طبیعت آمفیلی زیستدیزل نسبت داده میشود که از طریق برهمکنشهای قطبی، آسفالتنها را تثبیت کرده و یکنواختی و ویسکوزیته سوخت را بهبود میبخشد و در نتیجه از تودهسازی و رسوبگذاری جلوگیری میکند. کاهش اضافی تقریباً ۳۳ درصدی در TSE از طریق همگنسازی مبتنی بر کویتاسیون مخلوط HFO–بiodiesel در مقایسه با مخلوطکردن دستی حاصل میشود.
شکل ۹: کل رسوبات موجود (درصد جرمی) برای مخلوط سوختهای مورد مطالعه
شکل 9 عمدتاً به طبیعت آمفیلیكی دیزلزیست نسبت داده میشود که از طریق برهمکنشهای قطبی، آسفالتنها ر
- کاهش قابل توجه در پتانسیل کل رسوب (TSP) به میزان حدود ۶۰ درصد که هنگام مخلوط کردن HFO با زیستدیزل مشاهده میشود (شکل ۱۰)، عمدتاً به طبیعت آمفیلی زیستدیزل نسبت داده میشود که از طریق برهمکنشهای قطبی، آسفالتنها را تثبیت کرده و یکنواختی و خواص روانی سوخت را بهبود میبخشد و در نتیجه از تودهسازی و رسوبگذاری جلوگیری میکند. کاهش بیشتری به میزان حدود ۲۵٪ در TSP از طریق همگنسازی مبتنی بر کویتاسیون مخلوط HFO–بایودیزل در مقایسه با مخلوطکردن دستی حاصل میشود.
شکل 10: پتانسیل کل رسوبات (درصد جرمی) برای مخلوط سوختهای مورد مطالعه
این بهبود قابل توجه، نشاندهنده پایداری سوخت بسیار بالاتر و خطر به مراتب کمتر تشکیل لجن در حین ذخیرهسازی و کارکرد موتور است. با علم به اینکه تشکیل لجن در سوختگیری کشتیها همچنان یک چالش عملیاتی و نظارتی مداوم با پیامدهای اقتصادی قابل توجه است.
در واقع، نرخ تشکیل لجن به عوامل مختلفی از جمله ترکیب سوخت، شرایط نگهداری و شیوههای جابجایی بستگی دارد. تجربه عملی و دستورالعملهای IMO نشان میدهد که تولید لجن در حین تصفیه و نگهداری سوخت معمولاً بین ۱ تا ۳ درصد حجمی از HFO مصرفی متغیر است، هرچند این مقدار به باقیماندههای جداکننده/تانکر سوخترسانی مربوط میشود و نباید مستقیماً با مشخصات رسوب ISO 8217 یکسان در نظر گرفته شود.
برای کشتیای که ۱۰۰۰ تن HFO 380 ذخیره میکند:
| سناریو | تودهٔ لجن (تن) | حجم اسلاگل (متر مکعب) | هزینه سوخت از دست رفته: ۵۰۰ دلار در هر تن |
|---|---|---|---|
| برآورد کم (۱٪ حجمی) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| نسبت بالای تخمینی (۳٪ حجمی) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
جدول ۲. تأثیر اقتصادی تشکیل لجن از HFO380
برای کشتیای که سالانه ۲۰,۰۰۰ تن HFO مصرف میکند، این معادل صرفهجویی سوخت تقریباً ۲۰ تا ۲۰۰ تن در سال، یا حدود ۱۰,۰۰۰ تا ۱۰۰,۰۰۰ دلار آمریکا در سال ( بر اساس قیمت مرجع ۵۰۰ دلار به ازای هر تن) است. قیمتهای بالاتر سوخت یا مصرف بیشتر، این صرفهجوییها را به همان نسبت افزایش خواهد داد.
شایان ذکر است که این برآوردها تنها شامل زیان مستقیم ارزش سوخت میشوند. در عمل، هزینههای مدیریت لجن به دلیل دفع اجباری طبق ضمیمه I مارپول، هزینههای پذیرش در بندر و الزامات رسیدگی به پسابها (slops)، اغلب بالاتر است که میتواند به طور قابل توجهی از هزینه ساده سوخت از دست رفته فراتر رود.
با ترکیب مدیریت سیستماتیک سوخت با همگنسازی پیشرفته مبتنی بر کاویتاسیون، اپراتورها میتوانند:
- حفظ پایداری سوخت در بلندمدت
- کاهش هزینههای نگهداری، توقف و دفع
- بهبود بهرهوری سوخت، قابلیت اطمینان موتور و ایمنی عملیاتی
- اطمینان از انطباق با ضمیمه I مارپل در حالی که ریسکهای زیستمحیطی کاهش مییابد
- خاکستر و باقیمانده کربن: از آنجایی که بیدزل حاوی خاکستر نیست، شکل ۱۱ کاهش مورد انتظار در محتوای خاکستر را هنگام مخلوط کردن آن با HFO خالص نشان میدهد. کاویتاسیون با ترویج پراکندگی ریزتر و شکست جزئی سطحی ذرات خاکستر، این اثر را بیشتر تقویت میکند که منجر به کاهش اضافی حدود ۴٪ در مخلوط HFO–بیدزل میشود. محتوای خاکستر پایینتر به نگهداری و جابجایی تمیزتر کمک میکند، رسوبگذاری در خطوط لوله و مخازن هنگام سوختگیری را کاهش میدهد و از احتراق کارآمدتر با تشکیل کمتر ذرات معلق در موتورها پشتیبانی میکند.
شکل ۱۱: محتوای خاکستر (درصد وزنی) برای ترکیب سوختهای مورد مطالعه.
کاهش رسوب کربن از HFO خالص به مخلوط HFO–20٪ بیدزل، که در شکل 12 نشان داده شده است، عمدتاً به دلیل جایگزینی هیدروکربنهای سنگین و آروماتیک با استرهای اسید چرب سبکتر و اکسیژندار بیدزل است. کاهش اضافی مشاهدهشده برای مخلوط HFO–۱۰٪ بیودیزل–۵٪ گلیسیرین ناشی از ترکیب غنی از اکسیژن گلیسیرین است که تجزیه حرارتی کاملتری را تسهیل کرده و تشکیل باقیماندههای نسوز را محدود میکند. افزایش جزئی حدود ۳٪ در رسوب کربن با استفاده از درمان کاویتاسیون برای سوخت HFO–۲۰٪ زیستدیزل، به فعالسازی بیشتر تجزیه حرارتی نسبت داده میشود که توسط همزنی شدید ایجاد شده در حین کاویتاسیون در مقایسه با مخلوط کردن دستی، القا میشود. این تغییرات راندمان احتراق را بهبود میبخشند، دوده و رسوبات را در موتورها کاهش میدهند و جابجایی روانتر سوخت را در حین عملیات سوختگیری و انبارداری تسهیل میکنند.
شکل ۱۲: باقیمانده کربن (درصد وزنی) برای ترکیب سوختهای مورد مطالعه.
۳.۴ احتراق و عملکرد موتور
ترکیبهای HFO–FAME تولیدشده با استفاده از کاویتاسیون برای عملکرد در یک موتور دیزل دریایی چهارزمانه آزمایش و ارزیابی شدند، در مقایسه با ترکیبهای HFO–FAME تولیدشده به روش متعارف (درشت). این تحقیقات بر روی یک رینگ تست موتور کامل ارائهشده توسط شرکت FVTR GmbH، مبتنی بر موتور Caterpillar MaK 6M20، انجام شد. موارد زیر خلاصهای از نتایج اصلی آزمایش را ارائه میدهند:
ویسکوزیته و پیشگرمکردن: کاهش دمای تزریق (>۶ کلوین) نیاز انرژی پیشگرمکردن را کاهش داد.
- ویسکوزیته و پیشگرمکردن: کاهش دمای تزریق (>۶ کلوین) نیاز انرژی پیشگرمکردن را کاهش داد
- زمانبندی احتراق: شروع و پایان احتراق کمی زودتر، مدت زمان کمی کوتاهتر، که منجر به صرفهجویی جزئی در سوخت (~۱٪) و افزایش اندک NOx به دلیل محتوای اکسیژن میشود.
- آلایندهها: CO، CO₂، HC، O₂ و FSN مشابه سوخت دستی مخلوطشده باقی ماند؛ هیچ مشکل عملیاتی مشاهده نشد. مخلوط HFO–FAME با درمان کویتاسیون مزایای عملی واضحی در عملکرد موتورهای دریایی نشان میدهد. ویسکوزیته کمتر آن نیاز به انرژی پیشگرم را کاهش میدهد، تزریق را تسهیل میکند و به مزایای جزئی در مصرف سوخت کمک میکند. سوزش همچنان پایدار و قابل اعتماد باقی میماند و آلایندهها عمدتاً با ترکیبات متعارف قابل مقایسه هستند، به جز افزایش جزئی مورد انتظار در NOx به دلیل محتوای اکسیژن بالاتر. این نتایج نشان میدهد که ترکیب بر پایه کاویتاسیون نه تنها ویژگیهای رئولوژیکی و احتراق سوختهای HFO–FAME را بهبود میبخشد، بلکه از سوختگیری ایمنتر، کارآمدتر و قابل اعتمادتر و عملکرد موتور در کاربردهای دریایی عملیاتی نیز پشتیبانی میکند.
۳.۵ خلاصه بهبودهای سوخت و احتراق – «افزایش عملکرد CaviFlow®»
در این مرحله، میتوان اثرات کلی «تصفیه کاویتاسیون» شرکت RAPTECH بر خواص سوخت، عملکرد احتراق و کارایی عملیاتی را به شرح زیر خلاصه کرد. دادهها مزایای فیزیکی، شیمیایی و اقتصادی قابل اندازهگیری را برای سوختهای تحت تصفیه کاویتاسیون در مقایسه با سوختهای مخلوطشده به روش متداول تأیید میکنند.
| Parameter | بهبود | اثر |
|---|---|---|
| ویسکوزیته در ۵۰ درجه سانتیگراد | ↓ ≈ 13 % | پمپاژ آسانتر، کاهش نیاز انرژی برای پیشگرمکردن |
| مصرف خاص سوخت دیزل (SFOC) | ↓ ≈ 1 % | بهبود بهرهوری احتراق، صرفهجویی جزئی در سوخت |
| تشکیل لجن (معمولاً ۱-۳٪ حجمی/حجمی) | ↓ ≈ ۹۹٪ (تقریباً از بین رفته) | فیلترهای تمیزتر، بدون بارگذاری بیش از حد جداکننده، عملکرد پایدار و مداوم |
| کارایی کلی سوخت به توان | ↑ ≈ ۴٪ (صرفهجویی در سوخت) | معادل تقریباً ۱٫۲ تن در روز برای یک نفتکش ۵۰٬۰۰۰ DWT |
| عملکرد موتور | سوزش پایدار با حداقل افزایش NOₓ | عملکرد قابلاعتماد و یکنواخت |
| تأثیر زیستمحیطی | کاهش محتوای رسوبات، خاکستر و گوگرد | سوزش تمیزتر، انطباق آسانتر با استانداردهای IMO/MARPOL |
جدول ۳. بهبودهای کلیدی عملکرد با درمان کاویتاسیون CaviFlow®
| منطقهٔ ذخیره | تأثیر سالانه (€) | مبانی / توضیح |
|---|---|---|
| کارایی سوخت (~۴٪) | € 200 000 - 250 000 | ۴٪ از هزینههای سوخت |
| سامانه تجارت انتشار گازهای گلخانهای اتحادیه اروپا / کاهش CO₂ | € 108 000 - 110 000 | ۱٬۵۴۸ تن × ۷۰ یورو (تخمینی) به ازای هر تن CO₂ |
| پیشپرداخت انطباق و منشور | € 50 000 - 200 000 | نرخهای بهتر اجاره |
| کارایی عملیاتی و نگهداری | € 20 000 - 40 000 | سوزش تمیزتر → فرسایش کمتر موتور |
| پاککننده / گرمکننده صرفهجویی در انرژی | € 5 000 - 10 000 | ویسکوزیته پایینتر → کاهش بار |
| مجموع صرفهجوییهای بالقوه | ≈ ۳۸۰٬۰۰۰-۶۰۰٬۰۰۰ یورو در سال برای هر کشتی | به استثنای تغییرات قیمت سوخت |
جدول ۴. تأثیر اقتصادی سالانه تخمینی بهینهسازی سوخت مبتنی بر کاویتاسیون
با فرض یک سناریوی عملیاتی برای یک نفتکش با ظرفیت ۵۰ ۰۰۰ تن DWT که با حدود ۲۰٪ ترکیب FAME کار میکند، با در نظر گرفتن مزایای کارایی فناوری کاویتاسیون RAPTECH، ضریب انتشار خالص CO₂ از ۳.۱۱۴ تن CO₂ به ازای هر تن سوخت برای HFO خالص به ۲.۸۵۶ تن CO₂ به ازای هر تن سوخت کاهش مییابد. این معادل صرفهجویی کلی در CO₂ به میزان حدود ۱.۵۴۸ تن در سال است که به طور مؤثر رتبه CII کشتی را از C به B ارتقا میدهد. تأثیر اقتصادی و زیستمحیطی تخمینی این بهبودها در جدول ۴ خلاصه شده است که مزایای ترکیبی را از نظر بهرهوری انرژی، کاهش آلایندگی و صرفهجویی در هزینههای عملیاتی برجسته میکند.
این بهبودهای یکپارچه تأیید میکند که درمان کاویتاسیون به طور مؤثر عملکرد کلی سوختهای دریایی ترکیبی را بهبود میبخشد — و کارایی انرژی، قابلیت اطمینان عملیاتی و انطباق با محیط زیست را ارتقا میدهد.
۴. نتیجهگیری
همگنسازی با کمک کاویتاسیون پتانسیل روشنی برای بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی سوختهای ترکیبی دارد — در این مطالعه، ترکیبات HFO، زیستدیزل و گلیسیرین.
مزایای کلیدی مشاهدهشده عبارتند از:
- افزایش یکنواختی و اختلاط، از جمله پراکندگی مؤثر لجن و آب باقیمانده، که منجر به کاهش ویسکوزیته و سهولت در جابجایی سوخت میشود.
- فعالسازی شیمیایی جزئی (قابل تنظیم) درجا که منجر به کاهشهای قابل اندازهگیری در گوگرد، خاکستر و آلایندههای فلزی و همچنین کاهش تشکیل رسوبات میشود.
- رفتار احتراق پایدار با صرفهجویی جزئی در سوخت (حدود ۱٪) و افزایش اندک NOₓ به دلیل محتوای اکسیژن بالاتر
- کاهش نیازهای عملیاتی و نگهداری، از جمله انرژی پیشگرمکردن و مدیریت لجن
این یافتهها نشان میدهند که همگنسازی با کاویتاسیون میتواند به عنوان یک فرآیند مقیاسپذیر، بهینه از نظر مصرف انرژی و سازگار با محیط زیست برای ارتقا و تثبیت سوختهای دریایی ترکیبی عمل کند. تحقیقات مستمر در مورد سازوکارهای اصلاحات شیمیایی القا شده توسط کاویتاسیون و عملکرد بلندمدت موتور، به ادغام بیشتر آن در سیستمهای سوختگیری پایدار و تصفیه سوخت کمک خواهد کرد.
نویسندگان: دکتر احمد سیلام | روهیت سوریا نارایان | اولگ ورشچاگین | نیشیت ردی چروکور | RAPTECH Eberswalde GmbH
منابع
۱. سازمان بینالمللی دریانوردی (IMO). مقررات سقف گوگرد IMO 2020. IMO، لندن، ۲۰۲۰.
۲. ISO 8217:2017. مشخصات سوختهای دریایی. سازمان بینالمللی استانداردسازی، ژنو، ۲۰۱۷.
۳. EN 14214. استرهای متیل اسیدهای چرب (FAME) برای سوخت بیدزل – الزامات و روشهای آزمون. کمیته اروپایی استانداردسازی، بروکسل، ۲۰۱۲.
۴. Raptech GmbH. فناوری ترکیب با همزنی کویتاسیون CaviFlow®: بروشور فنی. Raptech، ۲۰۲۴.
۵. شرکت FVTR. گزارش تست کامل موتور – CaterpillarMaK 6M20، مخلوطهای HFO–بایودیزل–گلیسیرین. FVTR، ۲۰۲۵.
۶. کی. کیران و همکاران، تثبیت سوخت و کاهش انتشار در کاربردهای دریایی با استفاده از مخلوطهای بایودیزل، مجله Energy Fuels، ۲۰۲۰، ۳۴، ۹۸۷–۹۹۸.
