Abstrakti
Tutkimus
Kavitaatioon perustuva homogenisointi on lupaava menetelmä polttoaineen stabiilisuuden ja suorituskyvyn parantamiseksi. Kavitaatio tuottaa voimakkaita mikrokuplia, jotka romahtavat rajusti, ja se edistää sekä fysikaalista sekoittumista että lievää kemiallista aktivointia, mikä parantaa reologiaa, dispersiota ja palamiskäyttäytymistä. Tässä tutkimuksessa arvioidaan kavitaation vaikutuksia HFO:n, biodieselin ja glyseriinin seoksiin arvioimalla tiheyttä, viskositeettia, rikki- ja metallipitoisuuksia, lämpöarvoa, sedimentin muodostumista ja moottorin suorituskykyä.
Taulukossa 1 esitetään yhteenveto tässä tutkimuksessa käytettyjen kolmen tärkeimmän polttoainekomponentin fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista: HFO 380, biodiesel (FAME) ja glyseriini. HFO 380 toimii perusvertailukohtana, kun taas biodiesel ja glyseriini toimivat uusiutuvina, rikittöminä sekoituskomponentteina. Niiden vastakkaiset tiheydet, viskositeetit ja happipitoisuudet ovat keskeisiä tekijöitä, jotka vaikuttavat seoksen käyttäytymiseen homogenisoinnin ja palamisen aikana. Näiden perusominaisuuksien ymmärtäminen luo perustan RAPTECHin kavitaatiokäsittelyn tehokkuuden arvioinnille polttoaineen tasalaatuisuuden, vakauden ja kokonaislaadun parantamisessa.
Taulukko 1: HFO 380:n, biodieselin (FAME) ja glyseriinin vertailevat polttoaineen ominaisuudet.
2. Materiaalit ja menetelmät
3. Tulokset ja keskustelu
3.1 Fysikaaliset ominaisuudet ja reologia
Kuva 1: Polttoaineseoksen tiheys lämpötilan funktiona.
Kuvassa 2 esitetty API-painovoima on alhaisin puhtaalle HFO 380:lle, mikä kuvastaa sen suhteellisen suurta tiheyttä. Kun HFO:ta sekoitetaan kavitaation avulla, API-painovoima kasvaa hieman, mikä osoittaa, että tiheys vähenee hieman. Vaikutus on selvempi, kun 20 prosenttia biodieseliä lisätään käsisekoituksella, sillä biodieselin tiheys on huomattavasti pienempi kuin HFO:n, jolloin API-painovoima nousee merkittävästi. Korkein API-painovoima saavutetaan 20 % biodieseliä sisältävällä HFO:lla, jota on käsitelty kavitaatiokäsittelyllä. Tässä tapauksessa ero käsin sekoittamisen ja kavitaatiosekoittamisen välillä on suhteellisen pieni, mutta kavitaatioprosessi parantaa API-painovoimaa silti enemmän kuin pelkkä biodiesel.
Kuva 2: Tutkittujen polttoaineseosten °API-painovoima.
Kuva 3: Polttoaineseoksen kinemaattinen viskositeetti lämpötilan funktiona.
3.2 Kemialliset ominaisuudet ja polttoaineen parantaminen
Kuva 4: Tutkittujen polttoaineseosten rikkipitoisuus.
Kuva 5: Vanadiini-, pii- ja alumiinipitoisuus tutkituissa polttoaineseoksissa.
Kuva 6: Tutkittu nettolämpöarvo Polttoaineseos
Kuva 7: Tutkitun polttoaineseoksen leimahduspiste.
Kuva 8: Tutkitun polttoaineseoksen jähmepiste.
3.3 Sedimentit, tuhka ja hiilijäämä
Kuva 9: Tutkittujen polttoaineiden seoksen kokonaissedimentti (% massasta).
Kuva 10: Kokonaissaostumapotentiaali (% massasta) tutkituille polttoaineseoksille.
Tämä huomattava parannus osoittaa, että polttoaineen stabiilisuus on huomattavasti parempi ja lietteen muodostumisen riski on huomattavasti pienempi varastoinnin ja moottorin käytön aikana. Tiedossa on, että lietteen muodostuminen alusten polttoaineen tankkauksessa on edelleen jatkuva toiminnallinen ja lainsäädännöllinen haaste, jolla on huomattavia taloudellisia seurauksia.
Itse asiassa lietteen muodostumisnopeus riippuu useista tekijöistä, kuten polttoaineen koostumuksesta, varastointiolosuhteista ja käsittelykäytännöistä. Toimintakokemuksen ja IMO:n ohjeiden mukaan lietteen muodostuminen polttoaineen puhdistuksen ja varastoinnin aikana on tyypillisesti 1-3 tilavuusprosenttia käytetystä HFO:sta, vaikka tämä viittaa erotin-/bunkkerijäämiin eikä sitä pitäisi suoraan rinnastaa ISO 8217:n sedimenttiä koskevaan eritelmään.
Aluksessa, jossa varastoidaan 1 000 tonnia HFO:ta, 380:
Taulukko 2. HFO380:stä muodostuvan lietteen taloudellinen vaikutus.
Aluksessa, joka kuluttaa vuosittain 20 000 tonnia HFO:ta, tämä vastaa noin 20-200 tonnin polttoainesäästöjä vuodessa tai noin 10 000-100 000 Yhdysvaltain dollaria vuodessa (viitehinnan ollessa 500 dollaria/tonni). Korkeammat polttoaineen hinnat tai suurempi kulutus lisäisivät suhteellisesti näitä säästöjä.
On huomattava, että näissä arvioissa otetaan huomioon vain polttoaineen arvon suora menetys. Käytännössä lietteen huollosta aiheutuvat kustannukset ovat usein korkeammat MARPOL-yleissopimuksen liitteen I mukaisen hävittämisvelvoitteen, satamien vastaanottomaksujen ja lietteen käsittelyvaatimusten vuoksi, ja ne voivat ylittää huomattavasti menetetyn polttoaineen pelkän hinnan.
Yhdistämällä järjestelmällinen polttoaineen hallinta ja kehittynyt kavitaatioon perustuva homogenisointi operaattorit voivat:
Kuva 11: Tutkittujen polttoaineseosten tuhkapitoisuus (% massasta).
Hiilijätteen väheneminen puhtaasta HFO:sta HFO-20-prosenttiseen biodieseliin (kuva 12) johtuu pääasiassa siitä, että raskaat aromaattiset hiilivedyt korvautuvat biodieselin kevyemmillä, hapekkailla rasvahappoestereillä. HFO-10 % biodiesel-5 % glyseriiniseoksessa havaittu lisävähennys johtuu glyseriinin happirikkaasta koostumuksesta, joka edistää täydellisempää termistä hajoamista ja rajoittaa tulenkestävien jäämien muodostumista. HFO-20-prosenttisen biodieselin kavitaatiokäsittelyn aiheuttama hiilen jäännöksen lievä, noin 3 prosentin lisäys johtuu kavitaation aikana syntyvän voimakkaan sekoituksen aiheuttaman lämpöhajoamisen tehostuneesta aktivoitumisesta verrattuna käsin tapahtuvaan sekoittamiseen. Nämä muutokset parantavat palamistehokkuutta, vähentävät nokea ja saostumia moottoreissa ja helpottavat polttoaineen sujuvampaa käsittelyä polttoaineen tankkauksen ja varastoinnin aikana.
Kuva 12: Hiilijäämä (% massasta) tutkituissa polttoaineseoksissa.
3.4 Palaminen ja moottorin suorituskyky
Kavitaation avulla tuotettuja HFO-FAME-sekoituksia testattiin ja arvioitiin niiden suorituskykyä nelitahtisessa laivadieselmoottorissa verrattuna tavanomaisesti (karkeasti) tuotettuihin HFO-FAME-sekoituksiin. Tutkimukset suoritettiin FVTR GmbH:n toimittamassa täydellisessä moottoritestipenkissä, joka perustui Caterpillar MaK 6M20 -moottoriin. Seuraavassa esitetään yhteenveto testin tärkeimmistä tuloksista:
3.5 Yhteenveto polttoaineen ja palamisen parannuksista - "CaviFlow® Performance Gains" (CaviFlow® suorituskyvyn parantuminen)
Tässä vaiheessa RAPTECHin kavitaatiokäsittelyn kokonaisvaikutukset polttoaineen ominaisuuksiin, palamistehoon ja toiminnan tehokkuuteen voidaan tiivistää seuraavasti. Tiedot vahvistavat, että kavitaatiokäsitellyillä polttoaineilla on mitattavissa olevia fysikaalisia, kemiallisia ja taloudellisia etuja verrattuna perinteisesti sekoitettuihin polttoaineisiin.
Taulukko 3. Keskeiset suorituskyvyn parannukset CaviFlow®-kavitaatiokäsittelyn avulla.
Taulukko 4. Kavitaatiopohjaisen polttoaineen optimoinnin arvioitu vuotuinen taloudellinen vaikutus.
Jos oletetaan, että 50 000 DWT:n säiliöalus toimii noin 20 %:n FAME-osuudella, netto- CO₂-päästökerroin pienenee 3,114 t CO₂ / t polttoainetta puhtaan HFO:n osalta 2,856 t CO₂ / t polttoainetta, kun otetaan huomioon RAPTECHin kavitaatioteknologian tehokkuushyödyt. Tämä vastaa noin 1,548 tonnin vuosittaista CO₂-säästöä, mikä nostaa aluksen CII-luokituksen C:stä B:hen. Taulukossa 4 on yhteenveto näiden parannusten arvioidusta taloudellisesta ja ympäristövaikutuksesta, ja siinä korostetaan energiatehokkuuden, päästöjen vähentämisen ja käyttökustannussäästöjen yhdistettyjä etuja.
Nämä yhdistetyt parannukset vahvistavat, että kavitaatiokäsittely parantaa tehokkaasti meriliikenteessä käytettävien polttoaineseosten yleistä suorituskykyä - se parantaa energiatehokkuutta, toimintavarmuutta ja ympäristövaatimusten noudattamista.
4. Päätelmät
Kavitaatioavusteinen homogenisointi osoittaa selkeää potentiaalia sekoitettujen polttoaineiden - tässä tutkimuksessa HFO:n, biodieselin ja glyseriinin sekoitusten - fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien parantamiseen.
Tärkeimpiä havaittuja hyötyjä ovat:
Nämä havainnot osoittavat, että kavitaatiohomogenisointi voi toimia skaalautuvana, energiatehokkaana ja ympäristöystävällisenä prosessina meriliikenteessä käytettävien polttoaineseosten parantamisessa ja stabiloinnissa. Jatkuva tutkimus kavitaation aiheuttaman kemiallisen muutoksen mekanismeista ja moottorin pitkän aikavälin suorituskyvystä tukee edelleen sen sisällyttämistä kestäviin polttoaineen tankkaus- ja käsittelyjärjestelmiin.
Kirjoittajat: Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH.
Viitteet
1. Kansainvälinen merenkulkujärjestö (IMO). IMO 2020Sulfur Cap Regulation. IMO, Lontoo, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifications of Marine Fuels.International Organization for Standardization, Geneve, 2017.
3. EN 14214. Fatty Acid Methyl Esters (FAME) forBiodiesel Fuel - Requirements and Test Methods. European Committee forStandardization, Bryssel, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology: Technical Brochure. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Full Engine Test Report - CaterpillarMaK 6M20, HFO-Biodiesel-Glyseriini-seokset. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
- Tässä tutkimuksessa arvioidaan kavitaatiohomogenisoinnin vaikutusta raskaaseen polttoöljyyn (HFO 380) ja sen sekoituksiin biodieselin ja glyseriinin kanssa merenkulun sovelluksissa. HFO:ta, HFO-20 % biodieseliä (B20) ja HFO-10 % biodieseli-5 % glyseriiniä (B10G5) verrattiin perinteisessä käsisekoituksessa ja kavitaatiokäsittelyssä.
- Kavitaatio paransi merkittävästi useita polttoaineen ominaisuuksia, kuten viskositeettia (jopa 19 %:n vähennys), rikkipitoisuutta (1,5-19 %:n vähennys) ja metallien epäpuhtauksia (jopa 33 %:n vähennys), säilyttäen samalla vertailukelpoisen lämpöarvon. Täysimittaiset moottorikokeet Caterpillar MaK 6M20 -moottorilla vahvistivat, että palamisen vakaus on parantunut, esilämmitystarpeet ovat vähentyneet, polttoainetta on säästynyt hieman (~1 %) ja päästöprofiilit ovat yhdenmukaiset.
- Nämä tulokset osoittavat, että kavitaatio edistää tehokasta sekoittumista ja homogenisointia, helpottaa lietteen ja jäännösveden käsittelyä ja saa aikaan lievän (säädettävissä olevan) in situ -kemiallisen aktivoinnin. Kaiken kaikkiaan kavitaatioon perustuva prosessointi tarjoaa käytännöllisen tien kohti puhtaampaa, tehokkaampaa ja kestävämpää meriliikenteessä käytettävien polttoaineseosten käyttöä.
- Merenkulkualaan kohdistuu kasvavia paineita päästöjen vähentämiseksi ja polttoainetehokkuuden parantamiseksi, mikä johtuu IMO:n vuoden 2020 rikkikatosta, hiili-intensiteettiä koskevista määräyksistä ja vaihtoehtoisten polttoaineiden käytön lisääntymisestä. Raskasta polttoöljyä (HFO) käytetään edelleen laajalti sen korkean energiasisällön vuoksi, mutta sen sekoittaminen uusiutuviin komponentteihin, kuten biodieseliin ja glyseriiniin, on välttämätöntä, jotta voidaan täyttää ympäristömääräykset ja parantaa palamisominaisuuksia.
Tutkimus
Kavitaatioon perustuva homogenisointi on lupaava menetelmä polttoaineen stabiilisuuden ja suorituskyvyn parantamiseksi. Kavitaatio tuottaa voimakkaita mikrokuplia, jotka romahtavat rajusti, ja se edistää sekä fysikaalista sekoittumista että lievää kemiallista aktivointia, mikä parantaa reologiaa, dispersiota ja palamiskäyttäytymistä. Tässä tutkimuksessa arvioidaan kavitaation vaikutuksia HFO:n, biodieselin ja glyseriinin seoksiin arvioimalla tiheyttä, viskositeettia, rikki- ja metallipitoisuuksia, lämpöarvoa, sedimentin muodostumista ja moottorin suorituskykyä.
Taulukossa 1 esitetään yhteenveto tässä tutkimuksessa käytettyjen kolmen tärkeimmän polttoainekomponentin fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista: HFO 380, biodiesel (FAME) ja glyseriini. HFO 380 toimii perusvertailukohtana, kun taas biodiesel ja glyseriini toimivat uusiutuvina, rikittöminä sekoituskomponentteina. Niiden vastakkaiset tiheydet, viskositeetit ja happipitoisuudet ovat keskeisiä tekijöitä, jotka vaikuttavat seoksen käyttäytymiseen homogenisoinnin ja palamisen aikana. Näiden perusominaisuuksien ymmärtäminen luo perustan RAPTECHin kavitaatiokäsittelyn tehokkuuden arvioinnille polttoaineen tasalaatuisuuden, vakauden ja kokonaislaadun parantamisessa.
| Parameter | Yksikkö | HFO 380 (ISO 8217:2017) | Biodiesel (FAME, EN 14214) | Glyseriini (raaka/raffinoitu) |
|---|---|---|---|---|
| Tiheys 15 °C:ssa | kg/m³ | Enintään 991 | 860-900 | 1,260-1,270 |
| Kinemaattinen viskositeetti 50 °C:ssa | mm²/s | Max. 380 | 4-6 | ~1,200 (40°C:ssa) |
| Rikkipitoisuus | % (m/m) | Enintään 3,50 | <0.001 | 0 |
| Tuhka Sisältö | % (m/m) | Max. 0,15 | <0.02 | <0.01 |
| Pour Point | °C | Max. 30 | -5 - +15 | ~18 |
| Leimahduspiste | °C | Vähintään 60 | >120 | >160 |
| Sedimentin kokonaispotentiaali | % (m/m) | Max. 0,10 | - | - |
| Sedimentti yhteensä Olemassa | % (m/m) | Max. 0,10 | - | - |
| Bruttolämpöarvo | MJ/kg | 41.5-42.5 | 39-40 | ~16 |
| Nettolämpöarvo | MJ/kg | 40-41 | 37-38 | ~14-15 |
| Happipitoisuus | % (m/m) | ~0 | 10-12 | ~52 |
| Hiilijäännös (CCR) | % (m/m) | ~15 | <0.05 | <0.01 |
Taulukko 1: HFO 380:n, biodieselin (FAME) ja glyseriinin vertailevat polttoaineen ominaisuudet.
2. Materiaalit ja menetelmät
- Polttoaineet: HFO 380, biodiesel (FAME), glyseriini.
- Seokset: HFO, HFO-20 % biodiesel (B20), HFO-10 % biodiesel-5 % glyseriini (B10G5).
- Sekoittaminen: Perinteinen käsisekoitus (HB/Coarse) ja kavitaatioavusteinen sekoitus (CF) RAPTECHin CaviFlow®-järjestelmän avulla.
- Analyysit: Tiheys, API-painovoima, kinemaattinen viskositeetti, rikki, metallit, lämpöarvo, leimahduspiste, juoksutuspiste, kokonaissedimenttipitoisuus (TSE), kokonaissedimenttipotentiaali (TSP), tuhkapitoisuus ja hiilijäännös, mitattu Bureau Veritaksessa.
- Moottorin testaus: FVTR GmbH:n täysimittainen meridieselin testauspenkki (Caterpillar MaK 6M20). Suorituskyky, päästöt, palamisen ajoitus ja polttoaineen kulutus kirjattiin.
3. Tulokset ja keskustelu
3.1 Fysikaaliset ominaisuudet ja reologia
- Tiheys ja API-painovoima: Koska biodieselin tiheys (860-900 kg/m³ 15 °C:ssa) on alhaisempi kuin HFO 380:n tiheys ja molemmat ovat vähemmän tiheitä kuin glyseriini (1264 kg/m³ 15 °C:ssa), kuvassa 1 esitetään tiheyden pieneneminen, kun biodieseliä lisätään HFO 380:een, ja vastaava kasvu, kun glyseriiniä lisätään. Kuvassa korostuu myös kavitaatiotekniikan käytön etu tavanomaiseen käsisekoitukseen verrattuna, sillä sen avulla saavutetaan noin 0,3 prosentin lisätiheysvähennys.
Kuva 1: Polttoaineseoksen tiheys lämpötilan funktiona.
Kuvassa 2 esitetty API-painovoima on alhaisin puhtaalle HFO 380:lle, mikä kuvastaa sen suhteellisen suurta tiheyttä. Kun HFO:ta sekoitetaan kavitaation avulla, API-painovoima kasvaa hieman, mikä osoittaa, että tiheys vähenee hieman. Vaikutus on selvempi, kun 20 prosenttia biodieseliä lisätään käsisekoituksella, sillä biodieselin tiheys on huomattavasti pienempi kuin HFO:n, jolloin API-painovoima nousee merkittävästi. Korkein API-painovoima saavutetaan 20 % biodieseliä sisältävällä HFO:lla, jota on käsitelty kavitaatiokäsittelyllä. Tässä tapauksessa ero käsin sekoittamisen ja kavitaatiosekoittamisen välillä on suhteellisen pieni, mutta kavitaatioprosessi parantaa API-painovoimaa silti enemmän kuin pelkkä biodiesel.
Kuva 2: Tutkittujen polttoaineseosten °API-painovoima.
- Viskositeetti: Kuvassa 3 esitetään kinemaattisen viskositeetin samankaltainen suuntaus, joka korostaa HFO 380:n ja sen biodiesel- ja glyseriiniseosten välisiä eroja. Kavitaatiokäsitellyssä HFO:ssa, jossa on 20 % biodieseliä, viskositeetti laskee jopa 19 % verrattuna käsin tapahtuvaan sekoitukseen. Käytännön näkökulmasta tämä viskositeetin ja tiheyden aleneminen johtuu kavitaation kaksitahoisesta vaikutuksesta - sen voimakkaasta sekoituskyvystä, joka sekoittaa tehokkaasti eri alkuperää olevia polttoaineita, ja sen voimakkaasta homogenisointivaikutuksesta, joka vakauttaa seoksen ja parantaa sen reologisia ja palamisominaisuuksia. Yhdessä nämä mekanismit helpottavat pumppausta, vähentävät esilämmitysenergiantarvetta noin 6 % ja parantavat polttoaineen sumutusta, mikä parantaa palamistehokkuutta ja vähentää noen ja palamattomien hiilivetyjen muodostumista.
Kuva 3: Polttoaineseoksen kinemaattinen viskositeetti lämpötilan funktiona.
3.2 Kemialliset ominaisuudet ja polttoaineen parantaminen
- Rikin vähentäminen: Koska biodiesel ja glyseriini eivät sisällä rikkiä, kuvassa 4 esitetään odotettavissa oleva rikkipitoisuuden väheneminen puhtaan HFO:n ja sen biodieselin ja glyseriinin kanssa sekoitettujen polttoaineiden välillä. Kavitaation aiheuttama osittainen kemiallinen aktivoituminen - erityisesti kun glyseriini toimii hapenkantajana - saattaa selittää havaitut lisävähennykset: noin 1,5 prosenttia käsin sekoitettujen ja kavitaatiokäsiteltyjen HFO-20-prosenttisen biodieselpolttoaineiden välillä ja noin 19 prosenttia kavitaatiokäsiteltyjen HFO-20-prosenttisen biodieselpolttoaineen ja HFO-20-prosenttisen biodiesel-5-prosenttisen biodiesel-glyseriiniseoksen välillä. Tämä osoittaa, että kavitaatio ei ainoastaan mahdollista erilaisten polttoainetyyppien tehokasta sekoittamista ja voimakasta homogenisointia, vaan se auttaa myös polttoaineen parantamisessa edistämällä polttoainekomponenttien lievää in situ säädettävää kemiallista modifiointia.
Kuva 4: Tutkittujen polttoaineseosten rikkipitoisuus.
- Metalliset epäpuhtaudet (Cat Fines): Nämä ovat käytetyn katalyytin mikroskooppisia hiukkasia, jotka koostuvat pääasiassa pii- ja alumiinioksideista ja joita esiintyy yleisesti jäännöspolttoaineissa, kuten raskaassa polttoöljyssä (HFO). Kavitaatiokäsittelyn jälkeen havaittiin jopa 33 prosentin vähennys käsin sekoitettujen ja kavitaatiolla sekoitettujen polttoaineiden välillä ja jopa 50 prosentin vähennys käsittelemättömän HFO:n ja 10 prosenttia biodieseliä ja 5 prosenttia glyserolia sisältävän HFO:n välillä. Tämä vähennys viittaa siihen, että kavitaatio edistää näiden katalyyttijäämien hienompaa dispersiota ja mahdollisesti osittaista pinnanmuokkausta tai pirstoutumista, mikä parantaa polttoaineen homogeenisuutta ja mahdollisesti pienentää kulumisriskiä polttoaineen käsittelyjärjestelmissä.
Kuva 5: Vanadiini-, pii- ja alumiinipitoisuus tutkituissa polttoaineseoksissa.
- Lämpöarvo: Koska HFO:n lämpöarvo on korkeampi kuin biodieselin ja glyseriinin, biodieselin ja glyseriinin lisääminen johtaa nettolämpöarvon laskuun. Polttoaineen reaktiivisuuden osittainen parantuminen kavitaatiokäsittelyn avulla voisi selittää käsin sekoitettujen ja kavitaatioseoksella sekoitettujen polttoaineiden välillä havaitun noin 0,2 prosentin lisäarvon alenemisen, kuten kuvasta 6 käy ilmi. Tämä vähäinen lasku kompensoituu käytännössä parantuneella palamistehokkuudella, puhtaammalla palamisella ja vakaammalla syttymiskäyttäytymisellä, jotka kaikki vaikuttavat myönteisesti laivamoottorin suorituskykyyn ja päästöjen valvontaan.
Kuva 6: Tutkittu nettolämpöarvo Polttoaineseos
- Leimahduspiste: Koska HFO:n leimahduspiste on huomattavasti alhaisempi kuin biodieselin, biodieselin lisääminen nostaa seoksen leimahduspistettä. Kavitaatiokäsittelyn avulla saavutettu voimakas homogenisointi johtaa kuitenkin siihen, että leimahduspiste laskee merkittävästi, noin 20 prosenttia, verrattuna käsin sekoitetun polttoaineen leimahduspisteeseen, kuten kuvasta 7 käy ilmi. Tämä lasku heijastaa kevyempien jakeiden tasaisempaa jakautumista seoksessa, mikä voi helpottaa polttoaineen käsittelyä ja höyrystymistä moottorin käynnistyksen aikana vaarantamatta kuitenkaan turvamarginaaleja polttoaineen tankkauksessa.
Kuva 7: Tutkitun polttoaineseoksen leimahduspiste.
- Juotospiste: Koska HFO:n jähmepiste on huomattavasti korkeampi kuin biodieselin, biodieselin lisääminen alentaa jähmepistettä, mikä parantaa alhaisen lämpötilan virtausominaisuuksia ja vähentää esilämmitysvaatimuksia siirron ja ruiskutuksen aikana. Kavitaatiokäsittelyllä ei ole havaittavissa merkittävää vaikutusta jähmepisteeseen verrattuna käsin sekoitettuun polttoaineeseen (kuva 8), mikä osoittaa, että kavitaatio vaikuttaa ensisijaisesti mikrorakenteeseen ja reaktiivisuuteen eikä niinkään irtotavarana tapahtuviin faasisiirtymiin.
Kuva 8: Tutkitun polttoaineseoksen jähmepiste.
3.3 Sedimentit, tuhka ja hiilijäämä
- Sedimentaatio: HFO:ta ja biodieseliä sekoitettaessa havaittu kokonaissedimentin väheneminen noin 33 prosentilla (kuva 9) johtuu pääasiassa biodieselin amfifiilisestä luonteesta, joka stabiloi asfalteenit polaaristen vuorovaikutusten avulla ja parantaa polttoaineen homogeenisuutta ja viskositeettia, mikä estää aggregaatiota ja sedimentoitumista. HFO-biodiesel-sekoituksen kavitaatiohomogenisoinnilla saavutetaan noin 33 prosentin lisävähennys TSE:hen verrattuna käsisekoitukseen.
Kuva 9: Tutkittujen polttoaineiden seoksen kokonaissedimentti (% massasta).
- Kokonaissedimenttipotentiaalin (TSP) merkittävä, noin 60 prosentin lasku, joka havaittiin sekoitettaessa HFO:ta ja biodieseliä (kuva 10), johtuu myös pääasiassa biodieselin amfifiilisestä luonteesta, joka stabiloi asfalteenit polaaristen vuorovaikutusten avulla ja parantaa polttoaineen tasaisuutta ja virtausominaisuuksia, jolloin aggregaatio ja sedimentin muodostuminen minimoituvat. HFO-biodiesel-sekoituksen kavitaatiohomogenisointi vähentää TSP:tä edelleen noin 25 prosenttia verrattuna käsin tapahtuvaan sekoittamiseen.
Kuva 10: Kokonaissaostumapotentiaali (% massasta) tutkituille polttoaineseoksille.
Tämä huomattava parannus osoittaa, että polttoaineen stabiilisuus on huomattavasti parempi ja lietteen muodostumisen riski on huomattavasti pienempi varastoinnin ja moottorin käytön aikana. Tiedossa on, että lietteen muodostuminen alusten polttoaineen tankkauksessa on edelleen jatkuva toiminnallinen ja lainsäädännöllinen haaste, jolla on huomattavia taloudellisia seurauksia.
Itse asiassa lietteen muodostumisnopeus riippuu useista tekijöistä, kuten polttoaineen koostumuksesta, varastointiolosuhteista ja käsittelykäytännöistä. Toimintakokemuksen ja IMO:n ohjeiden mukaan lietteen muodostuminen polttoaineen puhdistuksen ja varastoinnin aikana on tyypillisesti 1-3 tilavuusprosenttia käytetystä HFO:sta, vaikka tämä viittaa erotin-/bunkkerijäämiin eikä sitä pitäisi suoraan rinnastaa ISO 8217:n sedimenttiä koskevaan eritelmään.
Aluksessa, jossa varastoidaan 1 000 tonnia HFO:ta, 380:
| Skenaario | Lietteen massa (t) | Läjitysmäärä m³ | Polttoainekustannusten menetys 500 $/t |
|---|---|---|---|
| Vähäinen arvioitu (1 tilavuusprosentti) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| Korkea arvioitu (3 tilavuusprosenttia) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
Taulukko 2. HFO380:stä muodostuvan lietteen taloudellinen vaikutus.
Aluksessa, joka kuluttaa vuosittain 20 000 tonnia HFO:ta, tämä vastaa noin 20-200 tonnin polttoainesäästöjä vuodessa tai noin 10 000-100 000 Yhdysvaltain dollaria vuodessa (viitehinnan ollessa 500 dollaria/tonni). Korkeammat polttoaineen hinnat tai suurempi kulutus lisäisivät suhteellisesti näitä säästöjä.
On huomattava, että näissä arvioissa otetaan huomioon vain polttoaineen arvon suora menetys. Käytännössä lietteen huollosta aiheutuvat kustannukset ovat usein korkeammat MARPOL-yleissopimuksen liitteen I mukaisen hävittämisvelvoitteen, satamien vastaanottomaksujen ja lietteen käsittelyvaatimusten vuoksi, ja ne voivat ylittää huomattavasti menetetyn polttoaineen pelkän hinnan.
Yhdistämällä järjestelmällinen polttoaineen hallinta ja kehittynyt kavitaatioon perustuva homogenisointi operaattorit voivat:
- ylläpitää polttoaineen pitkän aikavälin vakautta
- Vähentää huolto-, seisonta- ja hävittämiskustannuksia.
- Parantaa polttoaineen käyttöä, moottorin luotettavuutta ja käyttöturvallisuutta.
- varmistaa MARPOL-yleissopimuksen liitteen I noudattaminen ja vähentää samalla ympäristöriskejä.
- Tuhka- ja hiilijäämä: Koska biodiesel ei sisällä tuhkaa, kuvassa 11 esitetään tuhkapitoisuuden odotettu väheneminen sekoitettaessa sitä puhtaaseen HFO:hon. Kavitaatio tehostaa tätä vaikutusta entisestään edistämällä tuhkahiukkasten hienompaa dispersiota ja osittaista pinnan pirstoutumista, jolloin HFO:n ja biodieselin seoksessa saavutetaan noin 4 prosentin lisävähennys. Alhaisempi tuhkapitoisuus edistää puhtaampaa varastointia ja käsittelyä, vähentää putkistojen ja säiliöiden likaantumista polttoaineen tankkauksen aikana ja tukee tehokkaampaa palamista, jolloin moottoreissa muodostuu vähemmän hiukkasia.
Kuva 11: Tutkittujen polttoaineseosten tuhkapitoisuus (% massasta).
Hiilijätteen väheneminen puhtaasta HFO:sta HFO-20-prosenttiseen biodieseliin (kuva 12) johtuu pääasiassa siitä, että raskaat aromaattiset hiilivedyt korvautuvat biodieselin kevyemmillä, hapekkailla rasvahappoestereillä. HFO-10 % biodiesel-5 % glyseriiniseoksessa havaittu lisävähennys johtuu glyseriinin happirikkaasta koostumuksesta, joka edistää täydellisempää termistä hajoamista ja rajoittaa tulenkestävien jäämien muodostumista. HFO-20-prosenttisen biodieselin kavitaatiokäsittelyn aiheuttama hiilen jäännöksen lievä, noin 3 prosentin lisäys johtuu kavitaation aikana syntyvän voimakkaan sekoituksen aiheuttaman lämpöhajoamisen tehostuneesta aktivoitumisesta verrattuna käsin tapahtuvaan sekoittamiseen. Nämä muutokset parantavat palamistehokkuutta, vähentävät nokea ja saostumia moottoreissa ja helpottavat polttoaineen sujuvampaa käsittelyä polttoaineen tankkauksen ja varastoinnin aikana.
Kuva 12: Hiilijäämä (% massasta) tutkituissa polttoaineseoksissa.
3.4 Palaminen ja moottorin suorituskyky
Kavitaation avulla tuotettuja HFO-FAME-sekoituksia testattiin ja arvioitiin niiden suorituskykyä nelitahtisessa laivadieselmoottorissa verrattuna tavanomaisesti (karkeasti) tuotettuihin HFO-FAME-sekoituksiin. Tutkimukset suoritettiin FVTR GmbH:n toimittamassa täydellisessä moottoritestipenkissä, joka perustui Caterpillar MaK 6M20 -moottoriin. Seuraavassa esitetään yhteenveto testin tärkeimmistä tuloksista:
- Viskositeetti ja esilämmitys: Alennettu ruiskutuslämpötila (>6 K) alensi esilämmitysenergiantarvetta.
- Palamisen ajoitus: Hieman aikaisempi palamisen alku ja loppu, hieman lyhyempi palamisen kesto, mikä johtaa vähäisiin polttoainesäästöihin (~1 %) ja hieman korkeampiin NOx-päästöihin happipitoisuuden vuoksi.
- Päästöt: Kavitaatiokäsitelty HFO-FAME-seos osoittaa selviä käytännön etuja laivamoottoreiden käytössä. Sen alhaisempi viskositeetti vähentää esilämmitysenergiantarvetta, helpottaa ruiskutusta ja edistää polttoaineen kulutusta hieman. Palaminen on vakaata ja luotettavaa, ja päästöt ovat pitkälti verrattavissa tavanomaisiin seoksiin, lukuun ottamatta NOx:n odotettua vähäistä lisääntymistä, joka johtuu korkeammasta happipitoisuudesta. Nämä tulokset osoittavat, että kavitaatioon perustuva sekoittaminen ei ainoastaan paranna HFO-FAME-polttoaineiden reologisia ja palamisominaisuuksia, vaan se tukee myös turvallisempaa, tehokkaampaa ja luotettavampaa polttoaineen tankkausta ja moottorin suorituskykyä käytännön merenkulkusovelluksissa.
3.5 Yhteenveto polttoaineen ja palamisen parannuksista - "CaviFlow® Performance Gains" (CaviFlow® suorituskyvyn parantuminen)
Tässä vaiheessa RAPTECHin kavitaatiokäsittelyn kokonaisvaikutukset polttoaineen ominaisuuksiin, palamistehoon ja toiminnan tehokkuuteen voidaan tiivistää seuraavasti. Tiedot vahvistavat, että kavitaatiokäsitellyillä polttoaineilla on mitattavissa olevia fysikaalisia, kemiallisia ja taloudellisia etuja verrattuna perinteisesti sekoitettuihin polttoaineisiin.
| Parameter | Parannus | Vaikutus |
|---|---|---|
| Viskositeetti @ 50 °C | ↓ ≈ 13 % | Helpompi pumppaus, pienempi esilämmitysenergiantarve. |
| Polttoöljyn ominaiskulutus (SFOC) | ↓ ≈ 1 % | Parannettu palamistehokkuus, vähäinen polttoaineen säästö |
| Lietteen muodostuminen (1-3 % v/v tyypillisesti) | ↓ ≈ 99 % (lähes eliminoitu). | Puhtaammat suodattimet, ei erottimen ylikuormitusta, vakaa ja jatkuva toiminta. |
| Polttoaineen kokonaishyötysuhde | ↑ ≈ 4 % (polttoaineen säästö) | Vastaa ≈ 1,2 t/vrk 50 000 DWT:n säiliöalukselle. |
| Moottorin toiminta | Vakaa palaminen ja minimaalinen NOₓ-pitoisuuden nousu. | Luotettava ja johdonmukainen suorituskyky |
| Ympäristövaikutukset | Alhaisempi sedimentti-, tuhka- ja rikkipitoisuus. | Puhtaampi poltto, IMO/MARPOL-standardien noudattaminen helpompaa. |
Taulukko 3. Keskeiset suorituskyvyn parannukset CaviFlow®-kavitaatiokäsittelyn avulla.
| Säästöalue | Vuotuinen vaikutus (€) | Peruste / selitys |
|---|---|---|
| Polttoainetehokkuus (~4 %) | € 200 000 - 250 000 | 4 % polttoainekustannuksista |
| EU:n päästökauppajärjestelmä / CO₂-säästö | € 108 000 - 110 000 | 1 548 t × 70 € (arvioitu) / t CO₂ |
| Compliance & Charter Premium | € 50 000 - 200 000 | Paremmat rahtihinnat |
| Toiminnan tehokkuus ja ylläpito | € 20 000 - 40 000 | Puhtaampi palaminen → vähemmän moottorin kulumista |
| Puhdistin / lämmitin Energiansäästö | € 5 000 - 10 000 | Pienempi viskositeetti → pienempi kuormitus |
| Potentiaalinen kokonaissäästö | ≈ 380 000 - 600 000 €/laiva/vuosi. | Ilman polttoaineen hinnanmuutoksia |
Taulukko 4. Kavitaatiopohjaisen polttoaineen optimoinnin arvioitu vuotuinen taloudellinen vaikutus.
Jos oletetaan, että 50 000 DWT:n säiliöalus toimii noin 20 %:n FAME-osuudella, netto- CO₂-päästökerroin pienenee 3,114 t CO₂ / t polttoainetta puhtaan HFO:n osalta 2,856 t CO₂ / t polttoainetta, kun otetaan huomioon RAPTECHin kavitaatioteknologian tehokkuushyödyt. Tämä vastaa noin 1,548 tonnin vuosittaista CO₂-säästöä, mikä nostaa aluksen CII-luokituksen C:stä B:hen. Taulukossa 4 on yhteenveto näiden parannusten arvioidusta taloudellisesta ja ympäristövaikutuksesta, ja siinä korostetaan energiatehokkuuden, päästöjen vähentämisen ja käyttökustannussäästöjen yhdistettyjä etuja.
Nämä yhdistetyt parannukset vahvistavat, että kavitaatiokäsittely parantaa tehokkaasti meriliikenteessä käytettävien polttoaineseosten yleistä suorituskykyä - se parantaa energiatehokkuutta, toimintavarmuutta ja ympäristövaatimusten noudattamista.
4. Päätelmät
Kavitaatioavusteinen homogenisointi osoittaa selkeää potentiaalia sekoitettujen polttoaineiden - tässä tutkimuksessa HFO:n, biodieselin ja glyseriinin sekoitusten - fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien parantamiseen.
Tärkeimpiä havaittuja hyötyjä ovat:
- Parempi sekoittuminen ja tasalaatuisuus, mukaan lukien lietteen ja jäännösveden tehokas dispergoituminen, mikä vähentää viskositeettia ja helpottaa polttoaineen käsittelyä.
- osittainen (säädettävä) kemiallinen aktivointi paikan päällä, mikä johtaa rikki-, tuhka- ja metallihaitta-aineiden mitattavaan vähenemiseen sekä sedimentin pienempään muodostumiseen.
- Vakaa palamiskäyttäytyminen, joka säästää hieman polttoainetta (~1 %) ja nostaa NOₓ-pitoisuutta vain vähän korkeamman happipitoisuuden vuoksi.
- Pienemmät käyttö- ja huoltovaatimukset, mukaan lukien esilämmitysenergia ja lietteen hallinta.
Nämä havainnot osoittavat, että kavitaatiohomogenisointi voi toimia skaalautuvana, energiatehokkaana ja ympäristöystävällisenä prosessina meriliikenteessä käytettävien polttoaineseosten parantamisessa ja stabiloinnissa. Jatkuva tutkimus kavitaation aiheuttaman kemiallisen muutoksen mekanismeista ja moottorin pitkän aikavälin suorituskyvystä tukee edelleen sen sisällyttämistä kestäviin polttoaineen tankkaus- ja käsittelyjärjestelmiin.
Kirjoittajat: Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH.
Viitteet
1. Kansainvälinen merenkulkujärjestö (IMO). IMO 2020Sulfur Cap Regulation. IMO, Lontoo, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifications of Marine Fuels.International Organization for Standardization, Geneve, 2017.
3. EN 14214. Fatty Acid Methyl Esters (FAME) forBiodiesel Fuel - Requirements and Test Methods. European Committee forStandardization, Bryssel, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology: Technical Brochure. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Full Engine Test Report - CaterpillarMaK 6M20, HFO-Biodiesel-Glyseriini-seokset. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends, Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
