2.2.4. Котельные и тяжелые моторные топлива

Требования предъявляемые к качеству котельных и тяжелых моторных топлив и устанавливающие условия их применения, определяются такими показателями качества, как вязкость, содержание серы, теплота сгорания, температуры застывания и вспышки, содержание воды, механических примесей и зольность.

Ниже рассмотрим основные свойства тяжелых топлив.

Вязкость. Эта техническая характеристика является важнейшей для котельных и тяжелых моторных топлив. Она определяет методы и продолжительность сливно-наливных операций, условия перевозки и перекачки, гидравлические сопротивления при транспорте топлива по трубопроводам, эффективность работы форсунок. От вязкости в значительной мере зависят скорость осаждения механических примесей при храниении, а также способность топлива отстаиваться от воды.

При положительных температурах (50 и 80^оС) условную вязкость топлив определяют по ГОСТ 6258 – 85 с помощью вискозиметра ВУМ. В США для определения вязкости используют вискозиметр Сейболта универсальный (для маловязких мазутов) и Сейболта Фурола (для высоковязких мазутов), в Англии – вискозиметр Редвуда. Между всеми этими вязкостями существует определенная зависимость.В ряде спецификаций указывают вязкость, найденную экспериментально и пересчитанную в кинематическую (мм²/с).

Для мазутов, как и для всех темных нефтепродуктов, зависимость вязкости от температуры приближенно описывается уравнением Вальтера:

lg lg(ν^.10^-6+0,8)=A-BlgT,

<где ν – кинематическая вязкость, мм²/с. А и В – коэффициенты; Т – абсолютная температура, ^оК.

Вязкость не является аддитивным свойством топлива. При смешении различных котельных топлив вязкость смеси следует определять экспериментально. Ориентировочно вязкость таких смесей можно определить по формуле:

lglg(ν_cm+0,8)=x₁ lglg(ν₁+0,8)+x₂ lglg(ν₂+0,8),

где ν₁, ν₂, ν_cm - вязкость кинематическая компонентов 1, 2 и смеси, мм²/с; х₁, х₂ – содержание компонентов, % об.

Котельные и тяжелые моторные топлива являются структурированными системами. Для их характеристики, особенно при выполнении сливно-наливных операций, помимо ньютоновской вязкости необходимо учитывать реологоческие свойства топлив. Вязкость при низких температурах определяют по ГОСТ 1929 – 87 с помощью ротационного вискозиметра <<Реотест>>.

Принцип действия прибора <<Реотест>> основан на изменении сопротивления, которое оказывает испытуемый продукт вращающемуся внутреннему цилиндру. Это сопротивление зависит только от внутреннего трения жидкости и прямо пропорционально абсолютной вязкости. По мере того как скорость сдвига увеличивается, вязкость уменьшается. Когда вся структура полностью разрушена, вязкость становится постоянной. Эта вязкость называется динамической. Методика позволяет определять как вязкость полностью разрушенной структуры мазута, так и начальное напряжение, являющееся мерой прочности структуры мазута, значение которого необходимо знать при расчете трубопроводов.

Для всех остаточных топлив характерна аномалия вязкости: после термической обработки или соответствующего механического воздействия повторно определяемая вязкость при той же температуре оказывается ниже начальной. Объясняется это присутствием в котельных топливах высокомолекулярных парафиновых углеводородов и асфальтено-смолистых веществ: чем их больше в топливе, тем выше вязкость и начальное напряжение сдвига:

Содержание серы. В остаточных топливах содержание серы зависит от типа перерабатываемой нефти (сернистой или высокосернистой) и технологии получения топлива. Сера в остаточных топливах находится в свободном состоянии или в связанном – меркаптановая сера, сероводород. Наиболее коррозионно-агрессивных соединений – меркаптановой серы – в остаточных топливах меньше, чем в среднедистиллятных фракциях. Поэтому коррозионная активность сернистых мазутов ниже, чем сернистых светлых нефтепродуктов.

При сжигании сернистых топлив сера превращается в оксиды – SO₂ и SO₃. Наличие в дымовых газах SO₃ повышает температуру начала конденсации влаги – точку росы. В связи с тем, что температура хвостовых поверхностей котлов (воздухоподогревателей, экономайзеров) равна точке росы дымовых газов, на этих поверхностях конденсируется серная кислота, которая и вызывает усиленную коррозию металла. Содержание серы в мазутах оказывает значительное влияние на экологическое состояние воздушного бассейна. В ряде ведущих стран мира в последние годы приняты ограничения по содержанию серы в мазутах до уровня 0,5 – 0,1%.

Теплота сгорания.. Это одна из важнейших характеристик топлива, от которой зависит его расход, особенно для топлив применяемых в судовых энергетических установках, так как при заправке топливом с более высокой теплотой сгорания увеличивается дальность плавания. Теплота сгорания зависит от элементного состава топлива и определяется отношением Н/С и зольностью. Для котельных топлив она находится в пределах 39900 – 41580 Дж/кг при плотности 940 – 970 кг/м³ Q_н=42000 Дж/кг. Теплота сгорания высокосернистых топлив всегда ниже, чем сернистых или малосернистых.

Температура застывания. Как и вязкость, температура застывания характеризует условия слива и перекачки топлива. Она зависит от двух основных факторов: качества перерабатываемой нефти и способа получения топлива. Для топочных мазутов марок 40 и 100 t_заст находится в пределах 22 – 25^оС и практически постоянна при храниении топлив. Тяжелые моторные топлива, получаемые смешением остаточных и дистиллятных фракций, довольно нестабильны, и их t_заст при хранении может повышаться на 4 – 15^оС. Явление это присуще только топливам, содержащим остаточные компоненты, таким как флотский мазут Ф-5, моторное топливо ДТ и ДМ и экспортный мазут. Полагают, что повышение t_заст при хранении (регрессия) обусловлено взаимодействием парафиновых углеводородов и асфальтено-смолистых веществ с образованием во времени более жесткой кристаллической структуры. Это свойство топлив очень затрудняет их применение и не позволяет гарантировать сохранение качества после хранения и транспортирования топлив.

Большое влияние на t_заст оказывают температура нагрева, скорость охлаждения, наличие или отсутствие перемешивания и даже диаметр сосуда, в котором она определяется. Для котельных топлив t_заст изменяется в зависимости от условий термической обработки. С повышением температуры термообработки до 40 – 70^оС t_заст топлива возрастает. Дальнейшее повышение температуры термообработки до 100^оС приводит к резкому ее снижению, что связано с изменением структуры топлива, а именно: с повышением температуры в структуре мазута, представляющего собой сплошную сетку, составленную из мелких игл с вкраплениями в нее крупных кристаллических конгломератов парафинов, последние постепенно исчезают и структура становится однородно сетчатой. Не менее важна и скорость охлаждения топлив. С увеличением скорости охлаждения t_заст , как правило, повышается за счет возникновения большого числа центров кристаллизации, равномерно распределенных по всему объему и способствующих созданию прочной структурной решетки парафина.

Учитывая нестабильность t_заст , стандарты на мазут флотский, экспортный и на моторное топливо предусматривают гарантии изготовителя: по истечении 3 месяцев хранения температура застывания не должна превышать установленную стандартом величину: минус 5^оС – для флотского мазута Ф-5 и моторного топлива, плюс 10^оС – для экспортного. Срок гарантии установлен, исходя из экспериментальных данных. Как правило, изменение t_заст после 3 месяцев Хранения крайне редко.

Регрессия t_заст обусловливает необходимость выработки топлива с запасом качества по этому показателю, что приводит к вовлечению в состав таких продуктов неоправданно большого количества дизельного топлива. Так, для получения флотского мазута Ф-5 на нефтеперерабатывающем предприятии вовлекают в мазут 50 – 70% дизельного топлива, а для получения топлива, удовлетворяющего требованиям ГОСТ 10585 – 75 по всем показателям качества, кроме t_заст , достаточно 12,5 – 40% дизельного топлива.

Для снижения температуры застывания применяют депрессорные присадки, синтезированные на основе сополимера этилена с винилацетатом. Механизм их действия заключается в модификации структуры кристаллизующегося парафина, препятствующей образованию прочной кристаллической решетки. Эффективность действия депрессорных присадок к котельным топливам зависит, прежде всего от содержания н-парафиновых углеводородов и их температуры плавления: чем больше их в топливе и чем выше t_пл , тем менее эффективен депрессор.

Наибольшее депрессорное действие оказывают асфальтено-смолистые вещества. Это свойство асфальтено-смолистых веществ использовали ранее как единственный способ улучшения низкотемпературных свойств котельных топлив. Количество вводимых в топливо компонентов, содержащих асфальтено-смолистые вещества, например крекинг-остаток, ограничено, тат как последний повышает вязкость и содержание серы. Наличие в топливах крекинг-остатка вызывает при эксплуатации повышенное нагарообразование, высокотемпературную коррозию за счет ванадия, концентрирующегося в асфальтено-смолистой части, делает топлива нестабильными при хранении. Асфальтено-смолистые вещества оседают и отлагаются на днищах резервуаров, мазутопроводов, что затрудняет их очистку и приводит к дополнительным затратам в эксплуатации. Отложения асфальтено-смолистых веществ на поверхности нагрева теплообменной аппаратуры увеличивают сопротивление стенки и ухудшают теплообмен.

С углублением переработки нефти содержание асфальтено-смолистых веществ в топливах будет увеличиваться, поэтому все более острой становится проблема производства стабильных котельных топлив. Асфальтены в мазутах находятся в коллоидном состоянии. Устойчивость асфальтено-содержащих дисперсных систем зависит от природы циклического углеводорода и его концентрации в дисперсионной среде. Наличие ароматических и нафтеновых углеводородов повышает седиментационную устойчивость дисперсной системы, причем для ароматических углеводородов этот эффект значительно больше, чем для нафтеновых углеводородов: ароматические углеводороды более склонны к взаимодействию с молекулами асфальтенов,растворимость последних тем больше, чем выше концентрация ароматического компонента. В такой среде асфальтены диспергируются с образованием тонкодисперсных коллоидных и молекулярно-дисперсных частиц. В среде парафиновых углеводородов образуется преимущественно грубодисперсная система. Так как нафтеновые углеводороды по строению являются промежуточными между парафиновыми и ароматическими углеводородами,то и кинетическая и агрегативная устойчивость асфальтенов в них меньше, чем в ароматических, и больше, чем в парафиновых углеводородах.

Температура вспышки определяет требования к пожарной безопасности остаточных топлив. Для топлив, используемых в судовых энергетических установках, нормируется температура вспышки в закрытом тигле (>75-80^оС), для котельных топлив – в открытом тигле ( 90 – 100^оС); эти нормы обеспечивают безопасную работу судовых энергетических и котельных установок. Разница между температурами вспышки в открытом и закрытом тигле составляет примерно 30^оС:

Мазут марки 40 Мазут марки 100

Температура вспышки. ^оС

в открытом тигле 92 120

в закрытом тигле 61 93

Содержание воды, механических примесей и зольность. Эти компоненты являются нежелательными составляющими котельных топлив, так как присутствие их ухудшает экономические показатели работы котельного агрегата, увеличивает коррозию хвостовых поверхностей его нагрева. При использовании обводненного котельного топлива в судовых энергетических установках в результате попадания глобул воды на трущиеся поверхности деталей, прецизионных пар и нарушения таким образом условий смазывающей способности топлива возможно зависание плунжеров или форсуночных игл. Как правило, вода образует с котельным топливом очень стойкие эмульсии. Большая стойкость эмульсий обусловлена высокой вязкостью мазута и наличием в нем поверхностно- активных асфальтено-смолистых стабилизаторов. С повышением температуры эмульсии разрушаются за счет уменьшения поверхностного натяжения и вязкости.

В то же время наличие воды, равномерно распределенной по всему объему, оказывает положительное влияние на эксплуатационные свойства топлив. Испарение мелкодисперсных частиц воды происходит мгновенно в виде <<микровзрыва>>, процесс сгорания протекает плавно и с достаточной полнотой, что приводит к снижению удельного расхода топлива и дымности отходящих газов.

Механические примеси, как и вода, засоряют фильтры и форсунки, при этом нарушается процесс распыливания топлива. Установлены требования к содержанию механических примесей: для мазута марки 40 – не более 0,8% , для мазута марки 100 – не более 1,5% . Фактически топочные мазуты вырабатывают с более низким содержанием механических примесей – до 0,1% и лишь на отдельных нефтеперерабатывающих предприятиях эти значения приближаются к установленным по ГОСТ 10585 – 75.

Зола, определяемая показателем зольность, характеризует наличие в топливе солей металлов. Она отлагается при сжигании топлив на поверхностях нагрева котлов и проточной части газовых турбин. Это ухудшает теплопередачу, повышает температуру отходящих газов, снижает к.п.д. котлов и газовых турбин.

Зольность топлив зависит, прежде всего, от содержания солей в нефти, Улучшение обессоливания нефтей на нефтеперерабатывающих предприятиях в последние годы позволило получать обессоленные нефти с содержанием солей не более 3-5 мг/л . Это, в свою очередь, позволило ужесточить требования стандарта по зольности котельных и тяжелых моторных топлив до 0,14 и 0,10% соответственно, а при использовании топлив увеличить сроки между чистками котлов.

АССОРТИМЕНТ, СОСТАВ И КАЧЕСТВО

Стандарт на котельное топливо – ГОСТ 10585 – 75 (см. Табл.) предусматривает выпуск 4 марок топлива: флотских мазутов Ф-5 и Ф-12. Которые по вязкости классифицируются как легкие топлива. Топочных мазутов марки 40 – как средние и марки 100 – как тяжелое топливо. Цифры указывают ориентировочную вязкость соответствующих марок мазутов при 50^оС. В зависимости от содержания серы топочные мазуты подразделяют на малосернистые – до 10%. Сернистые – от 0,1 до 2,0% и высокосернистые – от 2,0 до 3,5%. Для топлив, вырабатываемых из арланской, чекмагушской и бугурусланской нефтей, допускается содержание серы в мазутах до 4,3%.

Топочные мазуты марок 40 и 100 изготавливают из остатков переработки нефти. В мазут марки 40 для снижения температуры застывания до 10^оС вовлекают 8 – 15% среднедистиллятных фракций, в мазут марки 100 дизельные фракции не добавляют.

Флотские мазуты марок Ф-5 и Ф-12 предназначены для сжигания в судовых энергетических установках. По сравнению с топочными мазутами марок 40 и 100 они обладают лучшими характеристиками: меньшей вязкостью, содержанием механических примесей, воды, зольностью и более низкой температурой застывания. Флотский мазут марки Ф-5 получают смешением продуктов прямой перегонки нефти: в большинстве случаев 45 – 55% мазута прямогонного и 55 – 45% дизельного топлива. Допускается использовать в его составе до 22% керосино-газойлевых фракций вторичных процессов, в том числе легкого и тяжелого газойля каталитического и термического крекинга.

Флотский мазут марки Ф-12 вырабатывают в небольших количествах на установках прямой перегонки нефти с добавлением вторичных компонентов. Основным отличием мазута Ф-12 от Ф-5 являются более жесткие требования по содержанию серы (<0,8% против <2,0%) и менее жесткие требования по вязкости при 50^оС (<12^оВУ против <5^оВУ).

Основным топливом для судовых энергетических установок является моторное топливо по ГОСТ 1667 – 68 (см.табл. . Тяжелое моторное топливо марок ДТ и ДМ по вязкости приближается к флотским мазутам марок Ф-5 и Ф-12, но отличается от них содержанием серы: <1,5 для топлива ДТ и <2,5% - для топлива ДМ. Технология получения тяжелых моторных топлив аналогична технологии производства флотских мазутов.

В перспективе с углублением переработки нефти и утяжелением остаточных компонентов мазутов предполагается исключить выработку и поставку мазута марки 40 на ТЭЦ. Основным котельным топливом для котельных установок будет мазут марки 100. На ТЭЦ, получающих мазут по трубопроводам НПЗ – ТЭЦ, будет подаваться мазут марки 200.

Для унификации и оптимизации качества тяжелых моторных топлив, применяемых на флоте, разрабатывается стандарт на судовые топлива. Он включает 3 марки топлива: судовое высоковязкое – легкое, тяжелое, сверхтяжелое, что позволит сократить ассортимент топлив, используемых в судовых энергетических установках.