Топлива, смазочные материалы, технические жидкости

Раздел: Техника

Котельные топлива применяют в стационарных паровых котлах, в промышленных печах. Тяжелые моторные топлива используют в судовых энергетических установках. К котельным топливам относят топочные мазуты марок 40 и 100, вырабатываемые по ГОСТ 10585—75, к тяжелым моторным топливам — флотские мазуты Ф-5 и Ф-12 по ГОСТ 10585—75, моторные топлива ДТ и ДМ — по ГОСТ 1667—68.

В общем балансе перечисленных топлив основное место занимают мазуты нефтяного происхождения. Жидкие котельные топлива из сланцев, получаемые на установках полукоксования горючих сланцев и угля, — продукты коксохимической промышленности — составляют лишь небольшую долю общего объема применяемого топлива.

Топливо нефтяное для газотурбинных установок предназначено для применения в стационарных паротурбинных и парогазовых энергетических установках, а также в газотурбинных установках водного транспорта. Газовые турбины являются относительно новым видом теплового двигателя. Благодаря своим специфическим свойствам, таким как сравнительно малая масса на единицу мощности, способность к быстрому запуску и работе без охлаждающей жидкости, возможность полной автоматизации и дистанционного управления, газовые турбины получили широкое применение в авиации, а затем в различных отраслях промышленности и транспорта. Их используют также для покрытия пиков нагрузки на электрических станциях. Общей тенденцией газотурбостроения в настоящее время является увеличение к. п. д. и мощности установок за счет повышения температуры газов перед турбиной. Это и определяет требования к качеству топлива.

Печное бытовое топливо предназначено для сжигания его в отопительных установках небольшой мощности, расположенных непосредственно в жилых помещениях, а также в теплогенераторах средней мощности, используемых в сельском хозяйстве для приготовления кормов, сушки зерна, фруктов, консервирования и других целей.

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.

Свойства

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 хранении, а также способность топлива отстаиваться от воды.

При положительных температурах (50 и 80 °С) 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.

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

Принцип действия прибора «Реотест» основан на измерении сопротивления, которое оказывает испытуемый продукт вращающемуся виутреииему цилиндру. Это сопротивление зависит только от внутреннего треиия жидкости н прямо пропорционально абсолютной визкости. По мере того как скорость сдвига увеличивается, вязкость уменылаетси. Когда вся структура полиостью разрушена, визкость становится постоянной. Эта визкость называется динамической.  

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 корро- зионно-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 — S02 и S03. Наличие в дымовых газах S03 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. На  33 представлена зависимость точки росы от содержания серы.

Содержание серы в мазутах оказывает значительное влияние на экологическое состояние воздушного бассейна. В ряде ведущих капиталистических стран в последние годы приняты ограничения по содержанию серы в мазутах до уровня 0,5—1,0%.

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. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При определении высшей теплоты сгорания учитывают, что часть тепла, выделяющегося при сгорании топлива, расходуется на конденсацию паров воды, образовавшейся при сгорании водорода в топливе. При определении низшей теплоты сгорания тепло, затрачиваемое на образование воды, не учитывают. -Стандарты на котельные топлива регламентируют теплоту сгорания низшую. Для котельных топлив она находится в пределах 39900—41580 Дж/кг при плотности 940—970 кг/м3, в то время, как для дизельных топлив плотностью 835—855 кг/м3 QH=42 000 Дж/кг. Теплота сгорания высокосернистых топлив всегда ниже, чем сернистых или малосернистых. Зная соотношение углерода и водорода и плотность топлива, по номограмме ( 34) можно найти низшую теплоту сгорания топлив.

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 /заст находится в пределах 22—25 "С и практически постоянна при хранении топлив. Тяжелые моторные топлива, получаемые смешением остаточных и дистиллятных фракций, довольно нестабильны, и их tзаст при хранении может повышаться на 4—15 "С. Явление это присуще только топливам, содержащим остаточные компоненты, таким как флотский мазут Ф-5, моторное топливо ДТ и ДМ и экспортный мазут ( 1.21). Полагают, что повышение t3аст при хранении (регрессия) обусловлено взаимодействием парафиновых углеводородов и асфальтено-смолистых веществ с образованием во времени более жесткой кристаллической структуры. Это свойство толлив очень затрудняет их применение ч не позволяет гарантировать сохранение качества после хранения и транспортирования топлив.

Большое влияние на /Заст оказывают температура нагрева, скорость охлаждения, наличие или отсутствие перемешивания и даже диаметр сосуда, в котором она определяется. Для котельных топлив /заст изменяется в зависимости от условий термической обработки ( 35). С повышением температуры термообработки до 40—70 "С /заст топлива возрастает. Дальнейшее повышение температуры термообработки до 100 °С приводит к резкому «е 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 /заст, как правило, повышается за счет возникновения большого числа центров кристаллизации, равномерно распределенных по всему объему и способствующих созданию прочной структурной решетки парафина.

Рассчитать /заст или установить величину ее во времени не представляется возможным, так как не удается учесть все факторы, влияющие на эту температуру, — продолжительность хранения, термические изменения, происходящие в процессе хранения.

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

Регрессия /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 t3acT, достаточно 12,5—40% дизельного топлива ( 1.22).

На снижение (заСт котельных топлив влияет температура застывания дистиллятной фракции. Нередко полагают, что чем она ниже, тем меньше дистиллятной фракции потребуется для получения товарного мазута. Это справедливо до определенного содержания дистиллятного компонента в товарном мазуте ( 36). Практика показала, что для снижения rf3aст мазута (когда используют 10—50% дизельных фракций) необходимо, чтобы /заст дистиллятного компонента была не выше —10... —12 "С, в противном случае его содержание в смеси заметно возрастает.

Для снижения температуры застывания применяют депрес- сорные 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 /Пл, тем менее эффективен депрессор.

Количество н-парафиновых углеводородов в мазутах зависит от их компонентного состава и технологии приготовления топлива. В та(Гл. 1.23 приведены выход и свойства отдельных групп углеводородов мазутов (флотский Ф-5, образец 1 — из пермских нефтей, образец 2 — из западносибирских нефтей), а на  37 — структура н-парафиновых углеводородов, выделенных из мазутов.

Моно- и бициклические ароматические углеводороды не влияют на эффективность действия депрессора, по-видимому, из-за значительного количества в их составе боковых парафиновых цепей. Полициклические ароматические углеводороды, слабо экранированные боковыми парафиновыми цепяМи и от

личающиеся высокой цикличностью, обладают некоторыми де- лрессорными свойствами.

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, . так 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-смо- листой части, делает топлива нестабильными при хранении. Асфальтено-смол истые вещества оседают и отлагаются на днищах резервуаров, мазутопроводов, что затрудняет их очистку и приводит к дополнительным затратам в эксплуатации. Отложения асфальтено-смол истых веществ на поверхности нагрева теплообменной аппаратуры увеличивают сопротивление стенки н ухудшают теплообмен.

Асфальтено-смолистые вещества имеют сложную химическую структуру. В  1.24 приведены некоторые данные по .анализу смолистых веществ и отдельных групп углеводородов, выделенных из товарных флотских (образцы 1 и 2) и прямогон- ного (образец 3) мазутов.

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 н нафтеновых углеводородов повышает седиментацион- ную 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 молеку- лярно-дисперсных частиц. В среде парафиновых углеводородов образуется преимущественно грубодисперсная система. Так как нафтеновые углеводороды по строению являются промежуточными между парафиновыми и ароматическими углеводородами, то н 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 топлнв, используемых в судовых энергетических установках, нормируется температура вспышки в закрытом тигле (^75-г-80°С), для котельных топлнв— в открытом тигле (90—100 °С); эти нормы обеспечивают безопасную работу судовых энергетических и котельных установок. Разница между температурами вспышки в открытом и закрытом тигле составляет примерно 30 °С:

Мазут иаркн 40        Мазут марки 100

Температура вспышки, °С:

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 обвод- пенного 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 дымно- сти отходящих газов.

Механические примеси, как и вода, засоряют фильтры и форсунки, прн этом нарушается процесс распылнвания 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. Состав золы котельных топлив представлен в  1.25.

Зольность топлив зависит, прежде всего, от содержания со- -лей в нефти. Улучшение обессоливания нефтей на нефтеперерабатывающих предприятиях в последние годы позволило получать обессоленные нефти с содержанием солей не более 3— 5 мг/л ( 38).