Właściwości biodiesla

http://www.rybacki.pl/query/query_lista.php?kat=27
  Co to jest Biodiesel ?

Paliwo uzyskane w skutek estryfikacji doskonale nadaje się do samochodów z silnikami diesla, traktorów, generatorów prądu lub do celów grzewczych.

Transestryfikacja. Wytwarzanie estrów (biodiesla) z olejów i tłuszczów przez transestryfikację zachodzi w obecności katalizatora zasadowego (NAOH, KOH), bądź kwaśnego (H2PO4). Istnieją dwie podstawowe (o przemysłowym znaczeniu) technologie produkcji estrów: tzw. „zimna” (niskociśnieniowa), w której proces estryfikacji przebiega w temperaturach 20-70oC, pod ciśnieniem atmosferycznym z użyciem katalizatorów alkalicznych i metoda „gorąca” (wysokociśnieniowa), w której proces zachodzi w temperaturze 240oC i pod ciśnieniem 10 MPa.

Porównanie właściwości oleju rzepakowego, biodiesla oraz oleju napędowego
Właściwości

Jednostki

Olej roślinny

biodiesel

ON

Gęstość w temp. 15oC

kg/m3

830..930

~885

820..845

Lepkość kinematyczna w temp. 40oC

mm2/s

maks. 80

4,3..5,3

2..4,5

Wartość opałowa

MJ/kg

37,4

37..39

42,8

Temperatura zapłonu

oC

285

~200

min. 55

Liczba cetanowa

--

~39

~55

min. 51

CFPP

oC

+15

~ -10

maks. +5

Zawartość siarki

mg/kg

 

~10

50

Popiół

% (m/m)

maks. 0,02

 

0,01

Zawartość wody

mg/kg

maks. 1000

maks. 500

maks. 200

Skład frakcyjny:
- początek destylacji IBP
- temp. destylacji 50%(V/V), E50

oC

 
~210
~340

 
~320
~350

 
176
290

 
Liczba cetanowa. Biodiesel charakteryzuje się bardzo wysoką, w porównaniu do bazowych olejów napędowych, liczbą cetanową (rzędu 55 jednostek).
 Lepkość. Biodiesel charakteryzuje znacznie wyższa lepkość niż oleje napędowe. Wielkość ta oscyluje w granicach górnej wartości dla oleju napędowego letniego. W warunkach zimowych, z powodu bardzo dużego wzrostu lepkości, stosowanie estrów oleju rzepakowego jest możliwe dopiero po wprowadzeniu substancji obniżających lepkość.
 Poziom właściwości niskotemperaturowych, tj. temperatura krzepnięcia i temperatura zablokowania zimnego filtru paliwa, jest dość niski jak dla frakcji o danym zakresie temperatur wrzenia. Niemniej jednak wielkości te nie są odpowiednie przy eksploatacji w typowych warunkach zimowych. Temperatura blokady zimnego filtru dla biodiesla waha się w granicach –10oC, co odpowiada wartości określonej w normie PN-EN 590 dla oleju napędowego przejściowego – gatunek D. Właściwości niskotemperaturowe biodiesla są podstawowym kryterium oceny możliwości jego stosowania w warunkach zimowych. Modyfikowanie właściwości niskotemperaturowych prowadzi się przez:
- wprowadzenie modyfikatorów procesów krystalizacji węglowodorów (depresatorów) stosowanych do modyfikowania właściwości olejów napędowych,
- dodanie olejów napędowych o bardzo dobrych właściwościach niskotemperaturowych,
- dodanie nafty lub paliw do silników odrzutowych.
 Skład frakcyjny. Lepkość oraz właściwości niskotemperaturowe biodiesla związane są bezpośrednio z jego składem frakcyjnym. Temperatura początku destylacji jest znacznie wyższa niż dla oleju napędowego, natomiast zakres temperatur wrzenia, znacznie mniejszy. Ze względu na małą lotność biodiesla, wymagane jest bardzo dokładne rozpylenie paliwa przez wtryskiwacz w celu ułatwienia odparowania. Wysoka temperatura wrzenia powoduje, że biodiesel spala się najlepiej przy dużych obciążeniach silnika, gdy temperatura komory spalania jest wysoka.
 Temperatura zapłonu. Ze względu na wysoką temperaturę zapłonu (rzędu 170oC) oraz niskie ciśnienie par (poniżej 1 mm Hg), biodiesel nie jest uważany za substancję wybuchową (klasyfikowany jest poza III klasą zagrożenia pożarowego).
 Gęstość. Paliwo estrowe charakteryzuje się wyższą gęstością niż oleje napędowe (rzędu 0,885 g/cm3), co koresponduje z zakresem ich temperatur wrzenia. Zwiększona gęstość wpływa na zachowanie się paliwa w przewodzie wtryskowym. Przebieg wtrysku biodiesla odbywa się nieco szybciej niż oleju napędowego, a pulsacje ciśnienia w przewodzie wtryskowy są mniejsze. Wcześniej zaczyna się też wtrysk paliwa do komory spalania i przebiega on nieco szybciej niż wtrysk oleju napędowego.
 Siarka. Paliwo estrowe praktycznie nie zawiera związków siarki. Wielkość ta waha się w granicach 0,001% (norma PN-EN 590 dopuszcza zawartość siarki w oleju napędowym w ilości do 0,05%). Pod tym względem biodiesel uważany jest za paliwo przyjazne środowisku i może być stosowane w nowoczesnych silnikach wyposażonych w zaawansowane technologicznie układy do obróbki spalin.
 Wartość opałowa paliwa rzepakowego jest niższa w porównaniu do oleju napędowego, co wpływa na zwiększenie jego zużycia o ok. 8..14%.
 Zawartość wody. Badania porównawcze zdolności pochłaniania wody przez biodiesel i ON wykazały, że te pierwsze mogą wchłonąć o ok. 40 razy więcej wody niż olej napędowy. Ze względu na tę cechę, produkcja, transport i dystrybucja biodiesla wymaga zachowania należytych parametrów w celu zabezpieczenia przed przedostawaniem się wody do paliwa.
 Odporność na utlenianie. Biodiesel charakteryzuje się zmniejszoną odpornością na utlenianie w porównaniu z olejem napędowym, co ma szczególne znaczenie przy dłuższym okresie przechowywania.
 Mieszalność z olejem napędowym. Biodiesel posiada możliwość mieszania się w dowolnych proporcjach z olejem napędowym. Jest to jedna z najistotniejszych właściwości, które zadecydowały o powszechnym stosowaniu estrów jako paliwo do zasilania silników wysokoprężnych, głównie jako dodatku kilkuprocentowego do oleju napędowego.

Parametry użytkowe silników o zapłonie samoczynnym zasilanych biodieslem są w dużym stopniu zależne od ich konstrukcji i tak:
 moc nominalna i moment obrotowy dla większości silników praktycznie nie ulegają zmianie wskutek nieco większego zużycia paliwa (ok. 8…14%), rekompensującego mniejszą wartość opałową biodiesla, co świadczy o wyższej sprawności energetycznej procesu spalania, zwłaszcza przy wyższych obciążeniach;
 krótszy w porównaniu do oleju napędowego okres zwłoki samozapłonu, powoduje wcześniejszy początek spalania biodiesla; czynniki te uzasadniają celowość kilkustopniowego (ok. 3o OWK) opóźnienia początku wtrysku paliwa;
 wyższa sprawność ogólna silników o ZS zasilanych biodieslem w stosunku do oleju napędowego wynika z większej sprawności indukowanej;
 maleją nieznacznie przyspieszenia testowanych silników (o 3…10%);
 hałaśliwość pracy silnika nie ulega zmianie;
 obciążenia mechaniczne i cieplne praktycznie pozostają na tym samym poziomie; temperatury spalin są niższe o ok. 3…10% w stosunku do zasilania olejem napędowym, maksymalne ciśnienia spalania są wyższe o ok. 5%, zaś maksymalne ciśnienie wtrysku do 25%;
 biodiesel charakteryzuje się bardzo dobrymi własnościami smarnymi w porównaniu do oleju napędowego; odsiarczanie mineralnych olejów napędowych powoduje usunięcie naturalnych komponentów smarnościowych, co drastycznie pogarsza poziom właściwości smarnych tych paliw i wymaga stosowania syntetycznych dodatków; biodiesel pomimo, że nie zawiera siarki, ze względu na budowę chemiczną i zawartość tlenu charakteryzuje się szczególnie dobrymi właściwościami smarnymi, które w praktyce przekładają się na znaczne zwiększenie trwałości elementów aparatury wtryskowej;
 stosowanie biodiesla nie spełniającego parametrów określonych w normach, może powodować blokowanie systemu paliwowego przez wydzielone osady, może prowadzić to do zmiękczenia i degradacji niektórych elementów układu paliwowego silnika (przede wszystkim przewody i uszczelnienia pomp)
Wpływ zasilania silnika Diesla paliwem estrowym na emisję zanieczyszczeń do atmosfery :

Biodiesel jest przyjazny środowisku i spala się znacznie czyściej niż paliwa konwencjonalne, nawet jeśli te spełniają najnowsze normy dotyczące składu chemicznego.
Jednoznaczna ocena ilości zanieczyszczeń emitowanych przez silniki zasilane biodieslem jest trudna, gdyż proces spalania zależy w dużej mierze od konstrukcji silnika. Jednak duża ilość przeprowadzonych badań na silnikach zasilanych paliwem estrowym pozwala nam na jednoznaczne stwierdzenie, iż spalanie tych paliw wiąże się ze znacznym zmniejszeniem emisji zanieczyszczeń do atmosfery.
Spaliny emitowane przez silnik zasilany paliwem estrowym w porównaniu z olejem napędowym charakteryzują się:
 niższym zadymieniem (mniejsza zawartość sadzy) o ok. 50…80%;
 niższą zawartością CO i HC (do 40%);
 niższą zawartością cząstek stałych o 10…60%;
 znacznie niższą emisją CO2 (15% ilości emitowanej przy spalaniu ON); emitowana podczas spalania estru ilość CO2 jest podobna do ilości absorbowanej przez rzepak podczas wzrostu (zamknięty obieg dwutlenku węgla w przyrodzie);
 bliska zeru zawartość SO2 wynikającą z faktu, iż paliwo estrowe praktycznie nie zawiera siarki;
 spadkiem zawartości związków kancerogennych (benzenu i innych rakotwórczych substancji poliaromatycznych);
 wyższą zawartością aldehydów;
 zwiększoną emisją związków azotu o ok. 17%, co wynika z obecności tlenu związanego w grupie estrowej, a poprawiającego proces spalania i zmniejszającego zadymienie spalin;
 emitowane cząstki stałe mają mniej sadzy, ale z powodu wyższej temperatury wrzenia paliwa estrowego, mają cięższe składniki; cząstki są mniejsze i łatwiej wnikają do płuc.

Ponadto paliwo estrowe charakteryzuje się bardzo dużą biodegradowalnością (~95% w ciągu 24 dni, podczas gdy olej napędowy rozkłada się tylko w 70%); w przypadku przedostania się do gruntu lub wody nie powoduje skażenia. Dobra biodegradowalność wynika z prostej budowy cząsteczki estru metylowego (prosty łańcuch węglowy z dwoma atomami tlenu na jednym końcu). Tradycyjne paliwa ropopochodne zawierają mniej tlenu oraz stanowią bardzo skomplikowane mieszaniny węglowodorów z wielokrotnymi wiązaniami podwójnymi a także łańcuchami cyklicznymi. Taka skomplikowana struktura cząsteczkowa decyduje o ich niskiej biodegradowalności oraz niejednokrotnie dużej toksyczności.
Wytwarzanie oraz używanie paliwa rzepakowego do napędzania silników o ZS wiąże się też ze zmniejszeniem emisji par węglowodorów. Procesom przeładunku, magazynowania i dystrybucji produktów naftowych towarzyszy ich parowanie. Jest ono uzależnione od temperatury przeładowywanego produktu, temperatury panującej wewnątrz zbiornika, rodzaju zbiornika magazynowego i intensywności mieszania występującego podczas przeładunku. Im większa jest skala procesu, tym większe jest parowanie. Pary produktów naftowych, a głównie benzyn, powodują negatywne skutki dla środowiska. Paliwo estrowe, ze względu na wysoką temperaturę wrzenia, nie stanowią zagrożenia dla środowiska związanego z emisją par do atmosfery.

Należy podkreślić, że ze względu na emisję dwutlenku węgla przez silnik, zastosowanie paliw roślinnych jest szczególnie korzystne, gdyż nie powoduje wzrostu dwutlenku węgla w atmosferze. Zastąpienie 1 litra oleju napędowego paliwem roślinnym umożliwia zmniejszenie emisji dwutlenku węgla o 3,24 kg, a po uwzględnieniu dodatkowej emisji innego gazu cieplarnianego podtlenku azotu N2O, wynikającej z rozkładu nawozów sztucznych w glebie, całkowity efekt redukcji gazów cieplarnianych wyrażony zastępczą emisją dwutlenku węgla wynosi 3,18 kg. Dlatego często sądzi się, że paliwa te są neutralne ze względu na CO2, i uważa się, że wpływają one na efekt cieplarniany co najmniej 4 razy wolniej niż olej napędowy.
Oszacowanie całościowych efektów w zakresie emisji dwutlenku węgla związanych z zastosowaniem biopaliw nie jest jednak łatwe i jednoznaczne. Przyjmowana w tym zakresie neutralność ekologiczna może być słuszna tylko przy dokonywaniu porównań skutków spalania paliw kopalnych i roślinnych w części odnoszącej się do silnika, lub zastosowaniu tłuszczu odpadowego jako surowiec do produkcji biodiesla. Jednak może ona podlegać weryfikacji w przypadku uwzględniania również emisji CO2 związanej z uprawą rzepaku, transportem i przeróbką nasion. Produkcja nawozów i środków ochrony roślin, podobnie jak i uprawa, transport i przeróbka rzepaku łączy się bowiem ze zużyciem znacznej ilości energii pochodzącej z kopalin, czemu towarzyszy emisja dwutlenku węgla do atmosfery. Poza tym dwutlenek węgla to tylko jeden z gazów cieplarnianych emitowanych do atmosfery w całym cyklu produkcyjnym. Dodatkowy negatywny wpływ może wywierać w tym kontekście N2O, wytwarzany w produkcji rolniczej, a nie powstający w znaczących ilościach podczas produkcji oleju napędowego. W sumie pozytywny efekt zmniejszenia emisji dwutlenku węgla podczas spalania biopaliw w silniku ulega istotnemu osłabieniu. Według niektórych szacunków tylko 55% CO2 wytwarzanego podczas spalania paliw kopalnych może być wyeliminowane. Tak więc, jeśli np. 6% ON będzie zastąpione biodieslem, to możliwe będzie uzyskanie całkowitej redukcji dwutlenku węgla o ok. 3,3%.