Povzetek
Študija
Homogenizacija na podlagi kavitacije je obetavna metoda za izboljšanje stabilnosti in lastnosti goriva. z ustvarjanjem intenzivnih mikrobublin, ki se nasilno sesedajo, kavitacija spodbuja tako fizikalno mešanje kot blago kemično aktivacijo, kar izboljša reologijo, disperzijo in zgorevalne lastnosti. Ta študija ocenjuje učinke kavitacije na mešanice HFO-biodizla in glicerina ter ocenjuje gostoto, viskoznost, vsebnost žvepla in kovin, kalorično vrednost, nastajanje usedlin in delovanje motorja.
Preglednica 1 povzema primerjalne fizikalne in kemijske lastnosti treh glavnih sestavin goriva, uporabljenih v tej študiji: HFO 380, biodizel (FAME) in glicerin. HFO 380 služi kot osnovna referenca, biodizel in glicerin pa sta obnovljivi sestavini mešanice brez žvepla. Njune kontrastne gostote, viskoznosti in vsebnosti kisika so ključni dejavniki, ki vplivajo na obnašanje mešanice med homogenizacijo in zgorevanjem. Razumevanje teh osnovnih lastnosti je osnova za oceno učinkovitosti kavitacijske obdelave RAPTECH pri izboljšanju enakomernosti, stabilnosti in splošne kakovosti goriva.
Preglednica 1: Primerjalne lastnosti goriva HFO 380, biodizla (FAME) in glicerina.
2. Materiali in metode
3. Rezultati in razprava
3.1 Fizikalne lastnosti in reologija
Slika 1: Gostota mešanice goriv v odvisnosti od temperature
Glede na gostoto API, prikazano na sliki 2, ima najnižjo vrednost čisti HFO 380, kar odraža njegovo relativno visoko gostoto. Pri mešanici HFO z uporabo kavitacije se teža API nekoliko poveča, kar kaže na skromno zmanjšanje gostote. Bolj izrazit učinek se pokaže, ko se z ročnim mešanjem doda 20 % biodizla, saj ima biodizel precej nižjo gostoto kot HFO, kar povzroči znatno povečanje težnosti API. Najvišja teža API je dosežena pri HFO, ki vsebuje 20 % biodizla, obdelanega s kavitacijo. V tem primeru je razlika med ročnim mešanjem in mešanjem s kavitacijo razmeroma majhna, vendar postopek kavitacije še vedno zagotavlja dodatno izboljšanje težnosti API, ki presega učinek samega biodizla.
Slika 2: Teža API za preučevano mešanico goriv
Slika 3: Kinematična viskoznost mešanice goriv v odvisnosti od temperature
3.2 Kemijske lastnosti in nadgradnja goriva
Slika 4: Vsebnost žvepla v preučevanih mešanicah goriv
Slika 5: Vsebnost vanadija, silicija in aluminija v preučevanih mešanicah goriv
Slika 6: Preučevana neto kalorična vrednost Mešanica goriv
Slika 7: Plamenišče preučevane mešanice Fuels
Slika 8: Temperatura zlitja za preučevano mešanico goriv
3.3 Usedline, pepel in ostanki ogljika
Slika 9: Celotni sediment (% mase) za preučevano mešanico goriv
Slika 10: Skupni potencial usedlin (% mase) za preučevano mešanico goriv
To znatno izboljšanje kaže na izrazito večjo stabilnost goriva in bistveno manjše tveganje nastajanja usedlin med skladiščenjem in delovanjem motorja. Zavedati se je treba, da je nastajanje blata pri polnjenju ladij še vedno stalen operativni in regulativni izziv z znatnimi gospodarskimi posledicami.
Stopnja nastajanja blata je namreč odvisna od različnih dejavnikov, vključno s sestavo goriva, pogoji skladiščenja in postopki ravnanja. Operativne izkušnje in smernice IMO kažejo, da se pri čiščenju in skladiščenju goriva običajno tvori od 1 do 3 % blat glede na prostornino porabljenega HFO, čeprav se to nanaša na ostanke iz separatorja/bunkerja in se ne sme neposredno enačiti s specifikacijo ISO 8217 za usedline.
Za plovilo, ki hrani 1 000 ton HFO 380:
Preglednica 2. Ekonomski učinek nastajanja blata iz HFO 380
Za plovilo, ki letno porabi 20 000 t HFO, to pomeni prihranek goriva v višini približno 20-200 t na leto ali približno 10 000-100 000 USD letno (na podlagi referenčne cene 500 USD/t). Višje cene goriva ali večja poraba bi te prihranke sorazmerno povečale.
Opozoriti je treba, da te ocene upoštevajo le neposredno izgubo vrednosti goriva. V praksi so stroški ravnanja z blatom pogosto višji zaradi obvezne odstranitve v skladu s Prilogo I k MARPOL, pristaniških pristojbin za sprejem in zahtev za ravnanje z blatom, ki lahko znatno presegajo preproste stroške izgubljenega goriva.
Z združitvijo sistematičnega upravljanja goriva z napredno homogenizacijo na osnovi kavitacije lahko upravljavci:
Slika 11: Vsebnost pepela (masni %) za preučevano mešanico goriv.
Zmanjšanje ostanka ogljika iz čistega HFO na HFO-20 % biodizla, prikazano na sliki 12, je predvsem posledica zamenjave težkih aromatskih ogljikovodikov z lažjimi kisikovimi maščobnokislinskimi estri biodizla. Dodatno zmanjšanje, opaženo pri mešanici HFO-10 % biodizla in 5 % glicerina, je posledica sestave glicerina, bogate s kisikom, ki spodbuja popolnejšo toplotno razgradnjo in omejuje nastajanje ognjevzdržnih ostankov. Rahlo povečanje ostankov ogljika za približno 3 % pri kavitacijski obdelavi 20-odstotnega biodizla HFO je mogoče pripisati večji aktivaciji termične razgradnje, ki jo povzroči intenzivno mešanje med kavitacijo v primerjavi z ročnim mešanjem. Te spremembe izboljšajo učinkovitost zgorevanja, zmanjšajo saje in usedline v motorjih ter omogočajo lažje ravnanje z gorivom med polnjenjem in skladiščenjem.
Slika 12: Ostanek ogljika (% mase) za preučevano mešanico goriv.
3.4 Izgorevanje in zmogljivost motorja
Mešanice HFO-FAME, proizvedene s kavitacijo, so bile preizkušene in ocenjene glede učinkovitosti v štiritaktnem ladijskem dizelskem motorju v primerjavi s konvencionalno (grobo) proizvedenimi mešanicami HFO-FAME. Preiskave so bile opravljene na preskusni napravi za motorje, ki jo je zagotovila družba FVTR GmbH in temelji na motorju Caterpillar MaK 6M20. V naslednjih točkah so povzeti glavni rezultati preskusa:
3.5 Povzetek izboljšav goriva in zgorevanja - "povečanje zmogljivosti s tehnologijo CaviFlow®"
Na tej stopnji lahko splošne učinke kavitacijske obdelave RAPTECH na lastnosti goriva, zmogljivost zgorevanja in učinkovitost delovanja povzamemo na naslednji način. Podatki potrjujejo merljive fizikalne, kemične in ekonomske prednosti kavitacijsko obdelanih goriv v primerjavi s konvencionalno mešanimi gorivi.
Preglednica 3. Ključne prednosti pri učinkovitosti s kavitacijsko obdelavo CaviFlow®
Preglednica 4. Ocenjeni letni gospodarski učinek optimizacije goriva na podlagi kavitacije
Ob predpostavki scenarija primera tankerja s 50 000 DWT, ki obratuje s približno 20-odstotno komponento FAME, se neto faktor emisij CO₂ zmanjša s 3,114 t CO₂/t goriva za čisti HFO na 2,856 t CO₂/t goriva, če upoštevamo prednosti učinkovitosti kavitacijske tehnologije družbe RAPTECH. To ustreza skupnemu prihranku CO₂ v višini približno 1,548 t na leto, kar dejansko izboljša oceno CII plovila s C na B. Ocenjeni gospodarski in okoljski vpliv teh izboljšav je povzet v preglednici 4, ki poudarja skupne prednosti v smislu energetske učinkovitosti, zmanjšanja emisij in prihrankov operativnih stroškov.
Te konsolidirane izboljšave potrjujejo, da kavitacijska obdelava učinkovito izboljšuje splošno učinkovitost mešanih ladijskih goriv - izboljšuje energetsko učinkovitost, zanesljivost obratovanja in skladnost z okoljskimi zahtevami.
4. Zaključek
Homogenizacija s pomočjo kavitacije kaže jasen potencial za izboljšanje fizikalnih in kemijskih lastnosti mešanih goriv - v tej študiji mešanic HFO, biodizla in glicerina.
Ključne ugotovljene prednosti vključujejo:
Te ugotovitve kažejo, da je kavitacijska homogenizacija lahko razširljiv, energetsko učinkovit in okolju prijazen postopek za nadgradnjo in stabilizacijo mešanih ladijskih goriv. Nadaljnje raziskave mehanizmov kemičnih sprememb, ki jih povzroča kavitacija, in dolgoročnega delovanja motorja bodo še naprej podpirale njegovo vključevanje v trajnostne sisteme bunkeriranja in obdelave goriva.
Avtorji: Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Reference
1. Mednarodna pomorska organizacija (IMO). IMO 2020Sulfur Cap Regulation (Uredba o zgornji meji za žveplo). IMO, London, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifications of Marine Fuels.Mednarodna organizacija za standardizacijo, Ženeva, 2017.
3. EN 14214. Metilni estri maščobnih kislin (FAME) za biodizelsko gorivo - Zahteve in preskusne metode. Evropski odbor za standardizacijo, Bruselj, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology: Tehnična brošura. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Poročilo o preskusu celotnega motorja - CaterpillarMaK 6M20, mešanice HFO, biodizla in glicerina. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends (Stabilizacija goriva in zmanjšanje emisij v pomorskih aplikacijah z uporabo mešanic biodizla), Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
- Ta študija ocenjuje učinek kavitacijske homogenizacije na težko kurilno olje (HFO 380) in njegove mešanice z biodizlom in glicerinom za uporabo v pomorstvu. HFO, HFO-20 % biodizla (B20) in HFO-10 % biodizla-5 % glicerina (B10G5) smo primerjali z običajnim ročnim mešanjem in kavitacijsko obdelavo.
- Kavitacija je znatno izboljšala več lastnosti goriva, vključno z viskoznostjo (do 19-odstotno zmanjšanje), vsebnostjo žvepla (zmanjšanje za 1,5-19 %) in kovinskimi onesnaževali (do 33-odstotno zmanjšanje), hkrati pa ohranila primerljivo kalorično vrednost. Preskusi polnega motorja na motorju Caterpillar MaK 6M20 so potrdili izboljšano stabilnost zgorevanja, manjše zahteve po predgrevanju, majhen prihranek goriva (~1 %) in dosledne profile emisij.
- Ti rezultati kažejo, da kavitacija spodbuja učinkovito mešanje in homogenizacijo, olajša ravnanje z blatom in preostalo vodo ter povzroča blago (prilagodljivo) kemično aktivacijo in situ. Na splošno predstavlja obdelava na podlagi kavitacije praktično pot do čistejše, učinkovitejše in trajnostne uporabe mešanih goriv za plovila.
- Pomorska industrija je pod vse večjim pritiskom, da zmanjša emisije in izboljša učinkovitost goriva, kar je posledica omejitve žvepla IMO do leta 2020, predpisov o intenzivnosti ogljika in vse večje uporabe alternativnih goriv. Težko kurilno olje (HFO) se še vedno pogosto uporablja zaradi visoke energijske vsebnosti, vendar je mešanje z obnovljivimi sestavinami, kot sta biodizel in glicerin, potrebno za izpolnjevanje okoljskih predpisov in izboljšanje lastnosti zgorevanja.
Študija
Homogenizacija na podlagi kavitacije je obetavna metoda za izboljšanje stabilnosti in lastnosti goriva. z ustvarjanjem intenzivnih mikrobublin, ki se nasilno sesedajo, kavitacija spodbuja tako fizikalno mešanje kot blago kemično aktivacijo, kar izboljša reologijo, disperzijo in zgorevalne lastnosti. Ta študija ocenjuje učinke kavitacije na mešanice HFO-biodizla in glicerina ter ocenjuje gostoto, viskoznost, vsebnost žvepla in kovin, kalorično vrednost, nastajanje usedlin in delovanje motorja.
Preglednica 1 povzema primerjalne fizikalne in kemijske lastnosti treh glavnih sestavin goriva, uporabljenih v tej študiji: HFO 380, biodizel (FAME) in glicerin. HFO 380 služi kot osnovna referenca, biodizel in glicerin pa sta obnovljivi sestavini mešanice brez žvepla. Njune kontrastne gostote, viskoznosti in vsebnosti kisika so ključni dejavniki, ki vplivajo na obnašanje mešanice med homogenizacijo in zgorevanjem. Razumevanje teh osnovnih lastnosti je osnova za oceno učinkovitosti kavitacijske obdelave RAPTECH pri izboljšanju enakomernosti, stabilnosti in splošne kakovosti goriva.
| Parameter | Enota | HFO 380 (ISO 8217:2017) | Biodizel (FAME, EN 14214) | Glicerin (surovi/rafinirani) |
|---|---|---|---|---|
| Gostota pri 15 °C | kg/m³ | Največ 991 | 860-900 | 1,260-1,270 |
| Kinematična viskoznost pri 50 °C | mm²/s | Največ 380 | 4-6 | ~1.200 (pri 40 °C) |
| Vsebnost žvepla | % (m/m) | Največ 3,50 | <0.001 | 0 |
| Vsebina pepela | % (m/m) | Največ 0,15 | <0.02 | <0.01 |
| Točka nalivanja | °C | Največ 30 | -5 do +15 | ~18 |
| Točka vžiga | °C | Min. 60 | >120 | >160 |
| Skupni potencial sedimentov | % (m/m) | Največ 0,10 | - | - |
| Skupni sediment Obstoječi | % (m/m) | Največ 0,10 | - | - |
| Bruto kalorična vrednost | MJ/kg | 41.5-42.5 | 39-40 | ~16 |
| Neto kalorična vrednost | MJ/kg | 40-41 | 37-38 | ~14-15 |
| Vsebnost kisika | % (m/m) | ~0 | 10-12 | ~52 |
| Ostanek ogljika (CCR) | % (m/m) | ~15 | <0.05 | <0.01 |
Preglednica 1: Primerjalne lastnosti goriva HFO 380, biodizla (FAME) in glicerina.
2. Materiali in metode
- Goriva: HFO 380, biodizel (FAME), glicerin
- Mešanice: HFO, HFO-20 % biodizla (B20), HFO-10 % biodizla-5 % glicerina (B10G5)
- Mešanje: Mešanje: konvencionalno ročno mešanje (HB/Coarse) in mešanje s pomočjo kavitacije (CF) z uporabo sistema CaviFlow® podjetja RAPTECH
- Analize: Gostota, teža API, kinematična viskoznost, žveplo, kovine, kurilna vrednost, plamenišče, temperatura strjevanja, skupna vsebnost sedimentov (TSE), skupni potencial sedimentov (TSP), vsebnost pepela in ostanek ogljika, izmerjene pri Bureau Veritas
- Testiranje motorja: FVTR GmbH, polna preskusna postaja za ladijske dizelske motorje (Caterpillar MaK 6M20). Zabeleženi so bili zmogljivost, emisije, čas izgorevanja in poraba goriva.
3. Rezultati in razprava
3.1 Fizikalne lastnosti in reologija
- Gostota in teža API: Ker je gostota biodizla (860-900 kg/m³ pri 15 °C) manjša od gostote HFO 380 in ker sta oba manj gosta od glicerina (1264 kg/m³ pri 15 °C), je na sliki 1 prikazano zmanjšanje gostote ob dodajanju biodizla HFO 380 in ustrezno povečanje ob dodajanju glicerina. Poudarja tudi prednost uporabe kavitacijske tehnologije pred standardnim ročnim mešanjem, saj se doseže dodatno zmanjšanje gostote za približno 0,3 %.
Slika 1: Gostota mešanice goriv v odvisnosti od temperature
Glede na gostoto API, prikazano na sliki 2, ima najnižjo vrednost čisti HFO 380, kar odraža njegovo relativno visoko gostoto. Pri mešanici HFO z uporabo kavitacije se teža API nekoliko poveča, kar kaže na skromno zmanjšanje gostote. Bolj izrazit učinek se pokaže, ko se z ročnim mešanjem doda 20 % biodizla, saj ima biodizel precej nižjo gostoto kot HFO, kar povzroči znatno povečanje težnosti API. Najvišja teža API je dosežena pri HFO, ki vsebuje 20 % biodizla, obdelanega s kavitacijo. V tem primeru je razlika med ročnim mešanjem in mešanjem s kavitacijo razmeroma majhna, vendar postopek kavitacije še vedno zagotavlja dodatno izboljšanje težnosti API, ki presega učinek samega biodizla.
Slika 2: Teža API za preučevano mešanico goriv
- Viskoznost: Slika 3 prikazuje podoben trend za kinematično viskoznost, ki poudarja razlike med HFO 380 ter njegovimi mešanicami biodizla in glicerina. Zlasti pri HFO z 20 % biodizla, obdelanega s kavitacijo, se viskoznost v primerjavi z ročnim mešanjem zmanjša za 19 %. S praktičnega vidika lahko to zmanjšanje viskoznosti in gostote pripišemo dvojnemu delovanju kavitacije - njeni intenzivni sposobnosti mešanja, ki učinkovito meša goriva različnega izvora, in močnemu homogenizacijskemu učinku, ki stabilizira zmes ter izboljša njene reološke in zgorevalne lastnosti. Ti mehanizmi skupaj omogočajo lažje prečrpavanje, zmanjšajo potrebo po energiji za predgrevanje za približno 6 % in izboljšajo razprševanje goriva, s čimer izboljšajo učinkovitost zgorevanja ter zmanjšajo nastajanje saj in nezgorelih ogljikovodikov.
Slika 3: Kinematična viskoznost mešanice goriv v odvisnosti od temperature
3.2 Kemijske lastnosti in nadgradnja goriva
- Zmanjšanje vsebnosti žvepla: Ker biodizel in glicerin ne vsebujeta žvepla, Slika 4 prikazuje pričakovano zmanjšanje vsebnosti žvepla med čistim HFO in njegovimi mešanicami z biodizlom in glicerinom. Delna kemijska aktivacija, ki jo povzroči kavitacija - zlasti z glicerinom, ki deluje kot nosilec kisika - lahko pojasni dodatno zmanjšanje: približno 1,5 % med ročno mešanimi gorivi in gorivi HFO-20 % biodizla, obdelanimi s kavitacijo, ter približno 19 % med mešanicami HFO-20 % biodizla in HFO-20 % biodizla-5 % glicerina, obdelanimi s kavitacijo. To dokazuje, da kavitacija ne omogoča le močnega mešanja različnih vrst goriv in močne homogenizacije, temveč tudi pomaga pri nadgradnji goriv, saj spodbuja blago in situ prilagodljivo kemično modifikacijo sestavin goriva.
Slika 4: Vsebnost žvepla v preučevanih mešanicah goriv
- Kovinska onesnaževala (Cat Fines): Na sliki 5 je prikazano, da lahko izboljšana fizikalna disperzija in delne kemične pretvorbe, ki jih povzroča kavitacija, pojasnijo opaženo zmanjšanje količine Cat Fines - mikroskopskih delcev izrabljenega katalizatorja, sestavljenih predvsem iz silicijevih in aluminijevih oksidov, ki so običajno prisotni v preostalih gorivih, kot je težko kurilno olje (HFO). Do 33 % zmanjšanje je bilo opaženo med ročno mešanimi in kavitacijsko mešanimi gorivi ter do 50 % med neobdelanim HFO in HFO, ki po kavitacijski obdelavi vsebuje 10 % biodizla in 5 % glicerina. To zmanjšanje kaže, da kavitacija spodbuja finejšo disperzijo in morda delno površinsko modifikacijo ali fragmentacijo teh ostankov katalizatorja, kar vodi k boljši homogenosti goriva in potencialno manjši nevarnosti abrazivne obrabe v sistemih za ravnanje z gorivom.
Slika 5: Vsebnost vanadija, silicija in aluminija v preučevanih mešanicah goriv
- Kurilna vrednost: Ker je kalorična vrednost HFO višja od kalorične vrednosti biodizla in glicerina, dodatek biodizla in glicerina povzroči zmanjšanje neto kalorične vrednosti. Delno povečanje reaktivnosti goriva s kavitacijsko obdelavo bi lahko pojasnilo dodatno zmanjšanje za približno 0,2 %, ki je bilo opaženo med ročno mešanimi in kavitacijsko mešanimi gorivi, kot je prikazano na sliki 6. To rahlo zmanjšanje se v praksi nadomesti z izboljšano učinkovitostjo zgorevanja, čistejšim izgorevanjem in stabilnejšim vžigom, kar je koristno za delovanje ladijskih motorjev in nadzor emisij.
Slika 6: Preučevana neto kalorična vrednost Mešanica goriv
- Plamenišče: Ker je plamenišče HFO precej nižje od plamenišča biodizla, dodatek biodizla poveča plamenišče mešanice. Vendar se zaradi intenzivne homogenizacije, dosežene s kavitacijsko obdelavo, plamenišče v primerjavi z ročno mešanim gorivom znatno zniža, in sicer za približno 20 %, kot je prikazano na sliki 7. To znižanje odraža enakomernejšo porazdelitev lažjih frakcij v mešanici, kar lahko olajša ravnanje z gorivom in izhlapevanje med zagonom motorja, ne da bi pri tem ogrozili varnostne rezerve pri polnjenju.
Slika 7: Plamenišče preučevane mešanice Fuels
- Točka zlitja: Ker je temperatura strjevanja HFO bistveno višja od temperature strjevanja biodizla, dodajanje biodizla zniža temperaturo strjevanja, kar izboljša pretočne lastnosti pri nizkih temperaturah in zmanjša zahteve po predhodnem segrevanju med prenosom in vbrizgavanjem. V primerjavi z ročno mešanim gorivom ni opaziti opaznega vpliva kavitacijske obdelave na temperaturo strjevanja (slika 8), kar kaže, da kavitacija vpliva predvsem na mikrostrukturo in reaktivnost, ne pa na fazne prehode v razsutem stanju.
Slika 8: Temperatura zlitja za preučevano mešanico goriv
3.3 Usedline, pepel in ostanki ogljika
- Sedimentacija: Zmanjšanje skupnega števila sedimentov (TSE) za približno 33 %, opaženo pri mešanju HFO z biodizlom (slika 9), gre pripisati predvsem amfifilni naravi biodizla, ki s polarnimi interakcijami stabilizira asfaltene ter izboljša homogenost in viskoznost goriva, s čimer preprečuje združevanje in sedimentacijo. Dodatno zmanjšanje TSE za približno 33 % se doseže s kavitacijsko homogenizacijo mešanice HFO in biodizla v primerjavi z mešanjem z roko.
Slika 9: Celotni sediment (% mase) za preučevano mešanico goriv
- Bistveno zmanjšanje skupnega sedimentacijskega potenciala (TSP) za približno 60 %, opaženo pri mešanju HFO z biodizlom (slika 10), je prav tako mogoče pripisati predvsem amfifilni naravi biodizla, ki s polarnimi interakcijami stabilizira asfaltene ter izboljša enakomernost goriva in pretočne lastnosti, s čimer se zmanjšata združevanje in nastajanje sedimentov. S kavitacijsko homogenizacijo mešanice HFO in biodizla se v primerjavi z ročnim mešanjem doseže nadaljnje zmanjšanje TSP za približno 25 %.
Slika 10: Skupni potencial usedlin (% mase) za preučevano mešanico goriv
To znatno izboljšanje kaže na izrazito večjo stabilnost goriva in bistveno manjše tveganje nastajanja usedlin med skladiščenjem in delovanjem motorja. Zavedati se je treba, da je nastajanje blata pri polnjenju ladij še vedno stalen operativni in regulativni izziv z znatnimi gospodarskimi posledicami.
Stopnja nastajanja blata je namreč odvisna od različnih dejavnikov, vključno s sestavo goriva, pogoji skladiščenja in postopki ravnanja. Operativne izkušnje in smernice IMO kažejo, da se pri čiščenju in skladiščenju goriva običajno tvori od 1 do 3 % blat glede na prostornino porabljenega HFO, čeprav se to nanaša na ostanke iz separatorja/bunkerja in se ne sme neposredno enačiti s specifikacijo ISO 8217 za usedline.
Za plovilo, ki hrani 1 000 ton HFO 380:
| Scenarij | Masa blata (t) | Količina polža m³ | Izguba stroškov goriva @ $500/t |
|---|---|---|---|
| Nizka ocena (1 vol. %) | 9.5 | ≈ 10 | 4.750 |
| Visoko ocenjeno (3 vol. %) | 28.5 | ≈ 30 | 14.250 |
Preglednica 2. Ekonomski učinek nastajanja blata iz HFO 380
Za plovilo, ki letno porabi 20 000 t HFO, to pomeni prihranek goriva v višini približno 20-200 t na leto ali približno 10 000-100 000 USD letno (na podlagi referenčne cene 500 USD/t). Višje cene goriva ali večja poraba bi te prihranke sorazmerno povečale.
Opozoriti je treba, da te ocene upoštevajo le neposredno izgubo vrednosti goriva. V praksi so stroški ravnanja z blatom pogosto višji zaradi obvezne odstranitve v skladu s Prilogo I k MARPOL, pristaniških pristojbin za sprejem in zahtev za ravnanje z blatom, ki lahko znatno presegajo preproste stroške izgubljenega goriva.
Z združitvijo sistematičnega upravljanja goriva z napredno homogenizacijo na osnovi kavitacije lahko upravljavci:
- ohranijo dolgoročno stabilnost goriva
- zmanjšajo stroške vzdrževanja, zastojev in odstranjevanja
- Izboljšati izkoristek goriva, zanesljivost motorja in varnost obratovanja.
- zagotovijo skladnost s Prilogo I k MARPOL in hkrati zmanjšajo okoljska tveganja.
- Ostanek pepela in ogljika: Ker biodizel ne vsebuje pepela, je na sliki 11 prikazano pričakovano zmanjšanje vsebnosti pepela pri mešanju s čistim HFO. Kavitacija ta učinek še poveča, saj spodbuja finejšo disperzijo in delno površinsko drobljenje pepelnih delcev, zaradi česar se vsebnost pepela v mešanici HFO in biodizla dodatno zmanjša za približno 4 %. Manjša vsebnost pepela prispeva k čistejšemu skladiščenju in ravnanju, zmanjšuje obraščanje cevovodov in rezervoarjev med polnjenjem ter podpira učinkovitejše izgorevanje z manjšo tvorbo delcev v motorjih.
Slika 11: Vsebnost pepela (masni %) za preučevano mešanico goriv.
Zmanjšanje ostanka ogljika iz čistega HFO na HFO-20 % biodizla, prikazano na sliki 12, je predvsem posledica zamenjave težkih aromatskih ogljikovodikov z lažjimi kisikovimi maščobnokislinskimi estri biodizla. Dodatno zmanjšanje, opaženo pri mešanici HFO-10 % biodizla in 5 % glicerina, je posledica sestave glicerina, bogate s kisikom, ki spodbuja popolnejšo toplotno razgradnjo in omejuje nastajanje ognjevzdržnih ostankov. Rahlo povečanje ostankov ogljika za približno 3 % pri kavitacijski obdelavi 20-odstotnega biodizla HFO je mogoče pripisati večji aktivaciji termične razgradnje, ki jo povzroči intenzivno mešanje med kavitacijo v primerjavi z ročnim mešanjem. Te spremembe izboljšajo učinkovitost zgorevanja, zmanjšajo saje in usedline v motorjih ter omogočajo lažje ravnanje z gorivom med polnjenjem in skladiščenjem.
Slika 12: Ostanek ogljika (% mase) za preučevano mešanico goriv.
3.4 Izgorevanje in zmogljivost motorja
Mešanice HFO-FAME, proizvedene s kavitacijo, so bile preizkušene in ocenjene glede učinkovitosti v štiritaktnem ladijskem dizelskem motorju v primerjavi s konvencionalno (grobo) proizvedenimi mešanicami HFO-FAME. Preiskave so bile opravljene na preskusni napravi za motorje, ki jo je zagotovila družba FVTR GmbH in temelji na motorju Caterpillar MaK 6M20. V naslednjih točkah so povzeti glavni rezultati preskusa:
- Viskoznost in predgrevanje: Znižana temperatura vbrizgavanja (>6 K) je zmanjšala potrebo po energiji za predgrevanje
- čas zgorevanja: Nekoliko zgodnejši začetek in konec zgorevanja, nekoliko krajše trajanje, kar je privedlo do manjšega prihranka goriva (~1 %) in nekoliko višjih vrednosti NOx zaradi vsebnosti kisika
- Emisije: Mešanica HFO-FAME, obdelana s kavitacijo, kaže jasne praktične prednosti pri delovanju ladijskih motorjev. Njena nižja viskoznost zmanjšuje potrebe po energiji za predgrevanje, olajša vbrizgavanje in prispeva k manjši porabi goriva. Zgorevanje ostaja stabilno in zanesljivo, emisije pa so večinoma primerljive s konvencionalnimi mešanicami, razen pričakovanega manjšega povečanja NOx zaradi večje vsebnosti kisika. Ti rezultati kažejo, da mešanje na podlagi kavitacije ne izboljšuje le reoloških in zgorevalnih lastnosti goriv HFO-FAME, temveč tudi podpira varnejše, učinkovitejše in zanesljivejše polnjenje in delovanje motorjev v praktičnih pomorskih aplikacijah.
3.5 Povzetek izboljšav goriva in zgorevanja - "povečanje zmogljivosti s tehnologijo CaviFlow®"
Na tej stopnji lahko splošne učinke kavitacijske obdelave RAPTECH na lastnosti goriva, zmogljivost zgorevanja in učinkovitost delovanja povzamemo na naslednji način. Podatki potrjujejo merljive fizikalne, kemične in ekonomske prednosti kavitacijsko obdelanih goriv v primerjavi s konvencionalno mešanimi gorivi.
| Parameter | Izboljšanje | Učinek |
|---|---|---|
| Viskoznost pri 50 °C | ↓ ≈ 13 % | Enostavnejše črpanje, manjša potreba po energiji za predgrevanje |
| Specifična poraba kurilnega olja (SFOC) | ↓ ≈ 1 % | Povečana učinkovitost zgorevanja, majhen prihranek goriva |
| Nastajanje mulja (običajno 1-3 % v/v) | ↓ ≈ 99 % (praktično odpravljeno) | Čistejši filtri, brez preobremenitve separatorja, stabilno in neprekinjeno delovanje |
| Celotni izkoristek goriva glede na moč | ↑ ≈ 4 % (prihranek goriva) | Enakovredno ≈ 1,2 t/dan za tanker z nosilnostjo 50.000 DWT |
| Delovanje motorja | Stabilno izgorevanje z minimalnim porastom NOₓ | Zanesljivo in dosledno delovanje |
| Vpliv na okolje | Manjša vsebnost usedlin, pepela in žvepla | Čistejše izgorevanje, lažje izpolnjevanje standardov IMO/MARPOL |
Preglednica 3. Ključne prednosti pri učinkovitosti s kavitacijsko obdelavo CaviFlow®
| Območje shranjevanja | Letni učinek (EUR) | Podlaga / pojasnilo |
|---|---|---|
| Učinkovitost goriva (~4 %) | € 200 000 - 250 000 | 4 % stroškov goriva |
| EU ETS / varčevanje s CO₂ | € 108 000 - 110 000 | 1,548 t × 70 EUR (ocenjeno) / t CO₂ |
| Skladnost in listina Premium | € 50 000 - 200 000 | Boljše čarterske cene |
| Operativna učinkovitost in vzdrževanje | € 20 000 - 40 000 | Čistejše izgorevanje → manjša obraba motorja |
| Čistilec / grelnik Varčevanje z energijo | € 5 000 - 10 000 | Manjša viskoznost → manjša obremenitev |
| Skupni potencialni prihranek | ≈ 380 000 - 600 000 EUR na ladjo/leto | Brez upoštevanja sprememb cen goriva |
Preglednica 4. Ocenjeni letni gospodarski učinek optimizacije goriva na podlagi kavitacije
Ob predpostavki scenarija primera tankerja s 50 000 DWT, ki obratuje s približno 20-odstotno komponento FAME, se neto faktor emisij CO₂ zmanjša s 3,114 t CO₂/t goriva za čisti HFO na 2,856 t CO₂/t goriva, če upoštevamo prednosti učinkovitosti kavitacijske tehnologije družbe RAPTECH. To ustreza skupnemu prihranku CO₂ v višini približno 1,548 t na leto, kar dejansko izboljša oceno CII plovila s C na B. Ocenjeni gospodarski in okoljski vpliv teh izboljšav je povzet v preglednici 4, ki poudarja skupne prednosti v smislu energetske učinkovitosti, zmanjšanja emisij in prihrankov operativnih stroškov.
Te konsolidirane izboljšave potrjujejo, da kavitacijska obdelava učinkovito izboljšuje splošno učinkovitost mešanih ladijskih goriv - izboljšuje energetsko učinkovitost, zanesljivost obratovanja in skladnost z okoljskimi zahtevami.
4. Zaključek
Homogenizacija s pomočjo kavitacije kaže jasen potencial za izboljšanje fizikalnih in kemijskih lastnosti mešanih goriv - v tej študiji mešanic HFO, biodizla in glicerina.
Ključne ugotovljene prednosti vključujejo:
- izboljšano mešanje in enakomernost, vključno z učinkovito disperzijo blata in preostale vode, kar ima za posledico manjšo viskoznost in lažje ravnanje z gorivom
- delna (nastavljiva) kemična aktivacija in situ, ki vodi do merljivega zmanjšanja vsebnosti žvepla, pepela in kovinskih onesnaževal ter manjše tvorbe usedlin
- Stabilno zgorevanje z rahlim prihrankom goriva (~1 %) in le manjšim povečanjem NOₓ zaradi večje vsebnosti kisika
- Manjše zahteve glede obratovanja in vzdrževanja, vključno z energijo za predgrevanje in upravljanjem mulja
Te ugotovitve kažejo, da je kavitacijska homogenizacija lahko razširljiv, energetsko učinkovit in okolju prijazen postopek za nadgradnjo in stabilizacijo mešanih ladijskih goriv. Nadaljnje raziskave mehanizmov kemičnih sprememb, ki jih povzroča kavitacija, in dolgoročnega delovanja motorja bodo še naprej podpirale njegovo vključevanje v trajnostne sisteme bunkeriranja in obdelave goriva.
Avtorji: Ahmad Saylam | Rohit Surya Narayan | Oleg Verechshagin | Nishith Reddy Cherukuru | RAPTECH Eberswalde GmbH
Reference
1. Mednarodna pomorska organizacija (IMO). IMO 2020Sulfur Cap Regulation (Uredba o zgornji meji za žveplo). IMO, London, 2020.
2. ISO 8217:2017. Specifications of Marine Fuels.Mednarodna organizacija za standardizacijo, Ženeva, 2017.
3. EN 14214. Metilni estri maščobnih kislin (FAME) za biodizelsko gorivo - Zahteve in preskusne metode. Evropski odbor za standardizacijo, Bruselj, 2012.
4. Raptech GmbH. CaviFlow® Cavitation BlendingTechnology: Tehnična brošura. Raptech, 2024.
5. FVTR GmbH. Poročilo o preskusu celotnega motorja - CaterpillarMaK 6M20, mešanice HFO, biodizla in glicerina. FVTR, 2025.
6. K. Kiran et al., Fuel Stabilization and EmissionReduction in Marine Applications Using Biodiesel Blends (Stabilizacija goriva in zmanjšanje emisij v pomorskih aplikacijah z uporabo mešanic biodizla), Energy Fuels,2020, 34, 987-998.
