Топлива, смазочные материалы, технические жидкости

Раздел: Техника

Дизельное топливо предназначается для быстроходных дизельных и газотурбинных двигателей наземной и судовой техники. Условия смесеобразования и воспламенения топлива в дизелях отличаются от таковых в карбюраторных двигателях. Преимуществом первых является возможность осуществления высокой степени сжатия (до 18 в быстроходных дизелях), вследствие чего удельный расход топлива в них на 25—30% ниже, чем в карбюраторных двигателях. В то же время дизели отличаются большей сложностью в изготовлении, большими габаритами, меньшей мощностью. Исходя из более экономичной и надежной работы, дизели успешно конкурируют с карбюраторными двигателями.

Основные требования, предъявляемые потребителями к дизельному топливу, следующие:

цетановое число, определяющее высокие мощностные и экономические показатели работы двигателя;

фракционный состав, определяющий полноту сгорания, дым- ность и токсичность отработанных газов двигателя;

вязкость и плотность, обеспечивающие нормальную подачу топлива, распыливание в камере сгорания и работоспособность системы фильтрования;

низкотемпературные свойства, определяющие функционирование системы питания при отрицательных температурах окружающей среды;

степень чистоты, характеризующая надежность и долговечность работы системы фильтрования топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы двигателя;

температура вспышки, определяющая условия безопасности применения топлива на дизелях;

наличие сернистых соединений, непредельных углеводородов и металлов, характеризующие нагарообразование, коррозию и износы.

Свойства

Цетановое число — основной показатель воспламеняемости дизельного топлива. Оно определяет запуск двигателя, жесткость рабочего процесса (скорость нарастания давления), расход топлива и дымность отработанных газов. Чем выше цетановое число топлива, тем ниже скорость нарастания давления ( 20) и тем менее жестко работает двигатель. Однако с повышением цетанового числа топлива сверх оптимального, обеспечивающего работу двигателя с допустимой жесткостью (менее 0,5 МПа/°ПВК), ухудшается его экономичность в среднем на 0,2—0,3% и дымность отработанных газов на единицу цетанового числа повышается на 1—1,5 единицу Хартриджа.

Цетановое число топлив зависит от их углеводородного состава. Наиболее высокими цетановыми числами обладают нормальные парафиновые углеводороды, причем с повышением их молекулярной массы оно повышается, а по мере разветвления — снижается. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов, не имеющих боковых цепей; ароматические углеводороды с боковыми цепями !, имеют более высокие цетановые ~ 8 числа и тем больше, чем длиннее боковая парафиновая цепь. Непре- ь дельные углеводороды характеризуются более низкими цетановыми 0 числами, чем соответствующие им по строению парафиновые углеводороды. Нафтеновые углеводороды обладают невысокими цетановыми числами, но лучшими, чем ароматические углеводороды. Чем выше температура кипения топлива, тем выше цетановое число, и эта зависимость носит почти линейный характер; лишь для отдельных фракций цетановое число может снижаться, что объясняется их углеводородным составом.

Оптимальным цетановым числом дизельных топлив является 40—50. Применение топлив с цетановым числом <40 приводит к жесткой работе двигателя, а >50 — к увеличению удельного расхода топлива за счет уменьшения полноты сгорания. Летом можно успешно применять топлива с цетановым числом, равным 40, а зимой для обеспечения холодного пуска двигателя требуется цетановое число ^45. В то же время топлива с температурой застывания ниже —45 "С характеризуются цетановым числом «40. Хорошие низкотемпературные свойства достигаются несколькими способами: за счет существенного облегчения фракционного состава (температура конца кипения 300—320 °С вместо 360 °С), проведения депарафинизации топлива (извлечения «-парафиновых углеводородов), переработкой нафтено-аром этических нефтей с малым содержанием к- парафиновых углеводородов, при этом во всех случаях снижается цетановое число.

 Известны присадки для повышения цетанового числа дизельных топлив — изопропил- или циклогексилнитраты. Они допущены к применению, но их вводят (в частности, изопро- пилнитрат) в крайне ограниченных количествах для повышения цетанового числа с 38 до 40, так как при этом понижается температура вспышки и повышается коксуемость топлива.

Установление оптимальных цетановых чисел имеет большое практическое значение, поскольку с углублением переработки нефти в состав дизельного топлива будут вовлекаться легкие газойли каталитического крекинга, коксования и фракции, обладающие относительно низкими цетановыми числами. Бензи-. новые фракции также имеют низкие цетановые числа, и добавление их в дизельное топливо всегда заметно снижает цетановое число последнего.

Облегчение фракционного состава топлива, например при добавке к нему бензиновых фракций, может привести к повышению жесткости работы двигателя, определяемой скоростью нарастания давления на 1° поворота коленчатого вала (°ПКВ) ( 22). Это объясняется тем, что к моменту самовоспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя накапливается большое количество паров топлива, и горение сопровождается чрезмерным повышением давления и стуками в двигателе.

Влияние фракционного состава топлива для различных типов двигателей неодинаково. Двигатели с предкамерным и ви- хрекамерным смесеобразованием вследствие наличия разогретых до высокой температуры стенок предкамеры и более благоприятных условий сгорания менее чувствительны к фракционному составу топлива, чем двигатели с непосредственным впрыском.

Время прокручивания двигателя при запуске его на топливе со средней температурой кипения 200—225"С в девять раз меньше, чем на топливе со средней температурой кипения, равной 285 °С ( 23).

Вязкость и плотность определяют процессы испарения и смесеобразования в дизеле. Более низкая плотность и вязкость обеспечивают лучшее распыливание топлива; с повышением указанных показателей качества увеличивается диаметр капель ( 24) и уменьшается полное их сгорание, в результате увеличивается удельный расход топлива, растет дымность отработанных газов. Вязкость топлива влияет на наполнение насоса и на утечку топлива через зазоры плунжерных пар. С увеличением вязкости топлива возрастает сопротивление топливной системы, уменьшается наполнение насоса, что может привести к перебоям в его работе. При уменьшении вязкости дизельного

топлива количество его, просачивающееся между плунжером и втулкой, возрастает по сравнению с работой на более вязком топливе, в результате снижается производительность насоса ( 25). От вязкости зависит износ плунжерных пар. Нижний предел вязкости топлива, при котором обеспечивается высокая смазывающая способность дизельного топлива, зависит от конструктивных особенностей топливной аппаратуры и условий ее эксплуатации. Вязкость топлива в пределах 1,8—7,0 мм2/с практически не влияет на износ плунжеров топливной аппаратуры современных быстроходных дизелей.

Вязкость топлива зависит от его углеводородного состава. Летнее дизельное топливо, получаемое из западносибирской нефти, в котором преобладают парафино-нафтеновые углеводороды, имеет вязкость при 20°С 3,5—4,0 мм2/с; такое же по фракционному составу топливо из сахалинских нефтей, в котором преобладают нафтено-ароматические углеводороды,— 5,5—6,0 мм2/с. Стандартом на дизельное топливо вязкость нормируется в достаточно широких пределах, что обусловлено различием углеводородного состава перерабатываемых нефтей. Попытки ограничить вязкость топлива в узких пределах приведут к сокращению ресурсов его производства, так как потребуют снижения конца кипения топлива.

Нередки случаи, когда для снижения температуры застывания на местах применения используют смеси летних сортов дизельных топлив с реактивным топливом или бензином. При разбавлении дизельных топлив более низкокипящими компонентами fзаст и tn смесей всегда отклоняются в сторону высоко- застывающего дизельного топлива, вследствие чего приходится использовать значительное (до 80%) количество разбавителя ( 1.14), что, в свою очередь, отразится на повышении износа двигателей и снижении цетанового числа.

Степень чистоты дизельных топлив. Этот показатель определяет эффективность и надежность работы двигателя, особенно его топливной аппаратуры. Для плунжеров и гильз топливных насосов зазоры составляют 1,5—4,0 мкм. Частицы загрязнений, размер которых >4,0 мкм, вызывают повышенный износ деталей топливной аппаратуры, что предопределяет и соответствующие требования к очистке топлива.

Чистоту топлива оценивают коэффициентом Фильтруемости (по ГОСТ 19006—73), который представляет собой отношение времени фильтрования через фильтр из бумаги БФДТ при атмосферном давлении десятой порции фильтруемого топлива к первой. На фильтруемость топлив влияет наличие воды, механических примесей, смолистых веществ, мыл нафтеновых кислот. В товарных дизельных топливах содержится в основном растворенная вода от 0,002 до 0,008% (гидрид-кальциевый ме

тод определения), которая не влияет на коэффициент фнльтруе- мости. Нерастворенная в топливе вода — 0,01% и более — приводит к повышению коэффициента фильтруемости. Однако влияние этого фактора неоднозначно. Присутствие в топливе поверхностно-активных веществ — мыл нафтеновых кислот, смолистых и сероорганических соединений — усугубляет отрицательное влияние эмульсионной воды на фильтруемость топлив. Достаточно (15—20) 10_4% мыл нафтеновых кислот, образующихся при защелачивании топлив, чтобы коэффициент фильтруемости повысился с 2 до 4—5.

Содержание механических примесей в товарных дизельных топливах, выпускаемых нефтеперерабатывающими предприятиями, составляет 0,002—0,004% (отсутствие по ГОСТ 6370—59). Это количество не отражается на коэффициенте фильтруемости при исключении других отрицательных факторов. Коэффициент фильтруемости дизельных топлив, отправляемых с предприятий» находится в пределах 1,5—2,5.

Температура вспышки определяет пожароопасность топлива. Согласно ГОСТ 305—82, предусматривается выпуск "Топлива с температурой вспышки не ниже 40 °С — для дизелей общего назначения и не ниже 62 °С — для тепловозных и судовых дизелей. Температура вспышки является функцией содержащихся в топливе низкокипящих фракций ( 26). Поднять температуру вспышки дизельного топлива можно, повысив температуру начала кипения, а следовательно, снизив отбор топлива от нефти.

Сернистые соединения, непредельные углеводороды и металлы. Все эти соединения влияют на нагарообразоваиие е дизелях, они являются причиной повышенной коррозии и изно- сов. При сгорании топлив, содержащих непредельные углеводороды, вследствие окисления в цилиндре двигателя образуются смолистые вещества, а затем нагар. В результате этого падает мощность и повышается износ деталей двигателя.

Соединения серы при сгорании образуют SO2 и SO3 (последний сильнее влияет на нагарообразоваиие, износ и коррозию в двигателе, на изменение качества масла), что повышает точку росы водяного пара, усиливая этим процесс образования серной кислоты. Продукты взаимодействия кислоты с маслом— смолистые вещества, нагар — способствуют износу деталей двигателя.

В летний период с 1 апреля по 1 сентября, а для южных зон — с 1 марта по 1 октября для удовлетворения потребности в дизельном топливе разрешается выработка и применение топлива с температурой застывания 0°С без нормирования температуры помутнения. Установление менее жестких требований к низкотемпературным свойствам дизельного топлива в летний период позволяет увеличить ресурсы его производства на 1,5—2,0%, считая на нефть.

В соответствии с ГОСТ 305—82 принято следующее условное обозначение дизельного топлива: летнее топливо заказывают с учетом содержания серы и температуры вспышки (Л-0,5-40), зимнее — с учетом содержания серы и t3aCT (3-0,5-минус 35). В условное обозначение на арктическое дизельное топливо входит только содержание серы: А-0,2.

Дизельное топливо (ГОСТ 305—82) получают компаундированием прямогонных и гидроочищенных фракций в соотношениях, обеспечивающих требования стандарта по содержанию серы. В качестве сырья для гидроочистки нередко используют смесь среднедистиллятных фракций прямой перегонки и вторичных процессов, чаще прямогонного дизельного топлива и легкого газойля каталитического крекинга. Содержание серы в прямогонных фракциях в зависимости от перерабатываемой нефти колеблется в пределах 0,8—1,0% (для сернистых неф- тей), а содержание серы в гидроочищенном компоненте — от 0,08 до 0,12%.

Дизельное топливо утяжеленного фракционного состава (ТУ 38 001355—86). Для применения в летний период вырабатывают дизельное топливо утяжеленного фракционного состава ( 1.17). Отличие его от стандартного дизельного топлива: более высокая (на 20—30 °С) температура конца кипения — до 360°С перегоняется 90% (об.), вместо 96% (об.). Вследствие этого температура выкипания 50% (об.) его на 10 °С выше. По фракционному составу и основным физико-химическим показателям это топливо приближается к топливам, вырабатываемым за рубежом. Технология производства дизельного топлива утяжеленного фракционного состава аналогична технологии получения топлива по ГОСТ 305—82.

Дизельное топливо экспортное (ТУ 38 001162—85) — вырабатывают для поставок на экспорт с содержанием серы до 0,2% ( 1.18). Исходя из жестких требований к содержанию серы, дизельное топливо экспортное получают гидроочисткой прямогонных дизельных фракций. Для оценки его качества, по требованию заказчиков, определяют дизельный индекс (а не цетаиовое число, как принято ГОСТ 305—82). Кроме того, взамен определения содержания воды и коэффициента фильтруемости экспресс-методом устанавливают прозрачность топлива при температуре 10 °С.

Перспективные дизельные топлива

Нефтеперерабатывающая промышленность будет развиваться при опережающих темпах роста выработки светлых нефтепродуктов по отношению к объему переработки нефти, т. е. возникает диспропорция между приростом добычи нефти и увеличением потребности в моторных топливах.

Потребность в дизельном топливе может быть обеспечена углублением переработки нефти, оптимизацией качества дизельных топлив и вовлечением в качестве компонентов или применением в чистом виде продуктов ненефтяного происхождения. Углубление переработки нефти позволяет за счет использования вторичных процессов получать светлые продукты из остаточного сырья. При этом мазут подвергается вакуумной перегонке, вакуумный газойль направляется на каталитический крекинг, гидрокрекинг. Остаток от вакуумной перегонки является сырьем термического крекинга, замедленного коксования, термоконтактного крекинга и висбрекинга. Продукты вторичных процессов существенно отличаются от прямогонных по химическому составу и характеризуются повышенным содержанием ароматических и непредельных углеводородов, в связи с чем использование их в качестве компонентов дизельных топлив требует дополнительного облагораживания. Исключение составляют продукты гидрокрекинга, не уступающие по качеству гидроочищенным дизельным топливам. С углублением переработки нефти доля вторичных продуктов в составе дизельного- топлива возрастет до 40—50%, в то время как сегодня она составляет 5% и лишь на отдельных заводах 15%.

Оптимизация качества является не столь радикальным, как глубокая переработка, но достаточно эффективным способом увеличения ресурсов топлив. Значительное увеличение выхода дизельных топлив от перерабатываемой нефти может быть- обеспечено оптимизацией их фракционного состава. Изменение выкипаемости фракций летнего дизельного топлива до 360 "С с 96 до 90% (об.), т. е. некоторое утяжеление фракционного состава, позволит повысить их отбор на 2—3%, следовательно, увеличит ресурсы на 6—8%, считая на топливо. Не исключено,, что при использовании дизельных топлив утяжеленного фрак- ционного состава может наблюдаться некоторое увеличение их расхода. В связи с этим перед химмотологами и двигателе- строителями стоит задача совершенствования двигателей с целью повышения полноты сгорания топлива с большей вязкостью и с более высокой, по сравнению со стандартным топливом марки JI, температурой конца кипения.

Расширение фракционного состава дизельных топлив возможно не только за счет повышения температуры конца их кипения, но и вовлечения в их состав бензиновых фракций. Такая возможность появится при дальнейшей дизелизации автомобильного парка и уменьшении прироста потребления автомобильного бензина.

При этом такие показатели дизельных топлив, как вязкость и фракционный состав, в зависимости от отбора керосина могут изменяться в довольно широких пределах. Оптимизация качества наиболее массового летнего дизельного топлива будет осуществляться поэтапно ( 1.19).

Наряду с фракционным составом предполагается оптимизировать воспламеняемость дизельных топлив, так как газойле- вые фракции вторичных процессов, доля которых в составе топлива возрастает, имеют низкие цетановые числа (25—30). Исследования последних лет показали, что цетановое число 40 для летних дизельных топлив вполне отвечает требованиям многих существующих двигателей и полностью обеспечивает их мягкую работу на всех режимах.

В последнее время уделяют внимание использованию продуктов ненефтяного происхождения как компонентов дизельных топлив, в частности спиртов. Однако почти все исследователи отмечают недостатки метанола и этанола: гигроскопичность и возможность расслаивания с дизельным топливом, низкое цетановое число, пониженную температуру вспышки, растворяющее действие их на резиновые технические изделия. Кроме того, спирты вызывают коррозию цветных металлов. Применение спиртов в дизелях в чистом виде потребует конструктивных изменений двигателя, обусловленных недостаточной воспламеняемостью спиртов. Смеси дизельного топлива с этанолом или метанолом менее стабильны, чем аналогичные смеси их с бензинами, и применение таких смесей требует дорогостоящих стабилизаторов. Все это вряд ли позволит широко применять спирты в составе дизельных топлив в ближайшей перспективе.

При оценке возможных масштабов топлив из альтернативных видов сырья следует учитывать ресурсы сырья, степень, разработки процессов производства, транспортирования и хранения, а также технико-экономические показатели по их применению и производству.