Характеристика жидких топлив

Основным сырьем для получения жидких топлив для дизелей является нефть.

Она представляет собой смесь различных углеводородов с незначительной примесью кисло­рода, азота, серы и минеральных веществ. В зависимости от месторождений в нефти содержится углерода — от 82 до 87 %, водорода — от 11 до 14 %, кислорода — от 0,1 до 1,3 %, азота — до 0,7 %, серы от 0,1 до 5,5 %. В состав нефти входят преимущественно метановые (алканы), нафте­новые (цикланы), ароматические углеводороды, а также углеводороды смешанного строения, например парафино- циклановые.

В результате переработки из нефти получают жидкие топлива и смазочные масла. Современный процесс переработ­ки нефти состоит из предварительной подготовки (обез­воживания, обессоливания, выщелачивания и т. д.), соб­ственно переработки и очистки полученных дистиллятов. Для получения топлив для дизелей применяют физические (прямая перегонка) и химические (крекинг-процесс) спо­собы переработки нефти.

Прямую перегонку производят в одно- или двухступен­чатых атмосферно-вакуумных установках. Химическая структура углеводородов при этом не меняется. Из полу­ченных дистиллятов, после соответствующей очистки, полу­чают товарные светлые нефтепродукты: бензин, лигроин, керосин и газойль. Выход светлых нефтепродуктов из сырой нефти при прямой перегонке составляет 40—60 % (в зависимости от способа переработки нефти). Количество светлых нефтепродуктов увеличивается при химических способах переработки нефти (крекинг-процесса), т. е. рас­щеплением тяжелых углеводородов на более легкие и с низ­кой температурой кипения. Сырьем для крекинга служат керосиновые, газойлевые и соляровые фракции топлив и мазуты. В настоящее время большую часть товарных топ­лив получают компаундированием различных продуктов прямой перегонки и крекинга, прошедших предваритель­ную очистку.

При химической очистке дистиллятов применяют серную кислоту, щелочь, аммиак, известь, вступающие в хими­ческие реакции с удаляемыми веществами. При других способах очистки используют отбеливающие земли, глины и другие твердые поглотители, а также селективные раст­ворители. Очистка дистиллятов уменьшает в нефтепродук­тах массовую долю смол, золы и коксообразующих ве­ществ.

Дизельные топлива — это главным образом продукты прямой перегонки нефти и частично каталитического крекинг-процесса. Получаемые из парафинистых и сернистых нефтей дизельные топлива подвергают специальной очистке. Депарафинизация — это процесс вымораживания парафи­новых углеводородов с высокой температурой кристалли­зации, или обработки специальными веществами, которые образуют с парафинами твердые соединения, удаляемые при фильтрации.

Светлые нефтепродукты очищают от сернистых соедине­ний путем гидрогенизации. При этом сера, содержащаяся в жидких нефтепродуктах, выделяется в виде газообразно­го сероводорода.

У тяжелых топлив, по сравнению с дизельными, более высокая температура застывания, повышенная вязкость, в них большое количество тяжелых фракций, серы, кокса, золы и механических примесей, поэтому для них необхо­димы более сложные методы очистки как на нефтеперера­батывающих заводах, так и непосредственно в судовых условиях.

К физико-химическим характеристикам топлив, опреде­ляющим их эксплуатационные качества и степень исполь­зования в тех или иных типах дизелей, относят: плотность, вязкость, цетановое число, фракционный состав, зольность, массовую долю смол, механических примесей, воды, серы, стабильность топлива, а также температуры вспышки, по­мутнения и застывания.

Плотность косвенно характеризует химические свой­ства топлива, фракционный состав и испаряемость. Чем больше в топливе тяжелых фракций, тем выше его плот­ность. Топлива высокой плотности вследствие большой дальнобойности топливного факела, попадая на днище порш­ня и зеркало цилиндра, способствуют увеличению скорости изнашивания деталей, повышению нагароотложений и теп­ловых напряжений. У топлив с плотностью, близкой к еди­нице, снижается эффективность очистки от воды в сепара­торах. Плотность топлива зависит от температуры и с ее повышением снижается, т. е.

где ?₂₀ — плотность топлива, г/см³, при 20 °С;

?_t — поправочный коэффициент плотности нефтепродукта на 1 °С, значения которого приведены в табл. 1.

С ростом вязкости увеличивается гидравлическое со­противление нагнетательного трубопровода, одновременно ухудшается качество распыливания и смесеобразования топлива. Чтобы исключить или уменьшить перечисленные отрицательные явления, высоковязкие топлива перед по­дачей в двигатель подогревают в емкостях основного запаса, отстойных и расходных цистернах. Вязкость выражают в градусах условной шкалы (° ВУ) и в м²/с

Склонность топлива к самовоспламенению в цилиндре дизеля характеризует цетановое число, которое определяют па специальной моторной установке путем сравнения вос­пламеняемости испытуемого топлива с воспламеняемостью эталонной смеси. Приближенно цетановое число (ЦЧ) топ­лива можно подсчитать по доле содержащихся в нем раз­личных групп углеводородов,

где т_П — массовая доля парафиновых углеводородов, %;

т_Н —массовая доля нафтеновых углеводородов, %;

т_А — массовая доля ароматических углеводородов, %.

От цетанового числа топлива во многом зависит плав­ность процесса сгорания и легкость пуска холодного дви­гателя. Оптимальное цетановое число для топлив, исполь­зуемых в судовых дизелях, лежит в пределах 40-^-50. Для высокооборотных дизелей рекомендуется применять топ­ливо с цетановым числом более 45.

На полноту сгорания топлива в высокооборсхгных ди­зелях с малым периодом смесеобразования существенно влияет его испаряемость, зависящая от фракционного со­става. Кроме того, фракционный состав влияет на дымность выхлопа, легкость запуска, нагароотложения, закоксовываные форсунок, пригорание поршневых колец, изнашива­ние трущихся деталей. Чем выше параметры процесса сжа­тия, тем меньше процесс сгорания зависит от фракционно­го состава. Для многооборотных дизелей требуется топливо более легкого фракционного состава, чем для средне- и малооборотных. Для дизелей значительно важней фракци­онного состава тяжелого топлива наличие в нем неотгоняемого смолистого осадка и его качество.

При использовании топлив с большим содержанием смол необходимы весьма совершенная организация топливоподготовки и процессов распыления и смесеобразования, а также специальные меры по предотвращению повышенного нага­роотложения на деталях цилиндропоршневой группы. Смолы — это основной источник образования осадков и шлама в цистернах, трубопроводах и фильтрах, способст­вующих появлению лаковых пленок на иглах форсунок и плунжерных парах насосов высокого давления и кокса у сопловых отверстий. Кроме того, смолы значительно ухуд­шают деэмульгирующие свойства топлив и тем самым сни­жают эффективность их очистки от воды в сепараторах.

Косвенным показателем массовой доли смол в топливе служит его коксуемость, характеризующая склонность топлива к нагароотложениям.

На техническое состояние деталей дизелей влияет до­ля золы в топливе. Между зольностью топлива и скоростью изнашивания деталей цилиндропоршневой группы сущест­вует почти линейная зависимость. При перегонке нефти большая часть зольных элементов концентрируется в оста­точном топливе, в его асфальто-смоли стой части- Отсюда в тяжелых топливах, по сравнению с дистиллятными дизель­ными, повышенная зольность. Согласно стандартам мас­совая доля золы в дизельных топливах не должна превы­шать 0,01 %, в моторных ДТ и ДМ — соответственно 0,04 и 0,15 %, в мазутах Ф5 и Ф12 — 0,1 %, газотурбинном топливе — 0,04 %.

Механические примеси состоят из частиц органического и неорганического происхождения, продуктов коррозии и изнашивания оборудования нефтеперегонных установок, цистерн, трубопроводов, расходных и запасных танков, а также пыли и минеральных солей, попадающих в топливо из воды при промывке товарных продуктов или при обводне­нии топлива в процессе хранения и т. д. Повышенная доля в топливе механических примесей приводит к интенсивному изнашиванию прецизионных пар топливоподающей аппа­ратуры, сопел форсунок, деталей цилиндропоршневой группы. Механические примеси являются причиной заедания плунжеров и зависания игл форсунок, нарушения плот­ности клапанов топливных насосов и засорения сопловых отверстий.

В отличие от дизельных в тяжелых топливах допус­кается сравнительно высокая доля механических приме­сей: в моторных топливах ДТ и ДМ соответственно 0,1 и 0,2%, в газотурбинном — 0,04%, во флотских мазутах Ф5 и Ф12 — соответственно 0,1 и 0,15 %. Причем следует иметь в виду, что регламентируемую стандартами массо­вую долю механических примесей выдерживают только при производстве топлив. В условиях эксплуатации и особенно при транспортировании, хранении и бункеровке топлива неизбежно дополнительно загрязняются механическими примесями.

Вода в топливе снижает его теплоту сгорания, затрудня­ет пуск дизеля и его работу, повышает температуру засты­вания и помутнения топлива, вызывает электрохимиче­скую коррозию топливной аппаратуры, а также приводит, к попаданию в цилиндры растворимых в воде солей, повы­шающих нагароотложения и изнашивание деталей. В обвод­ненном топливе, кроме того, происходят коагуляция и выпадение высоковязких смолисто-асфальтовых веществ, что нередко приводит к зависанию игл форсунок.

Количество серы в топливе, в общем случае, зависит от содержания ее в сырой нефти и от технологии переработ­ки. Как правило, массовая доля серы в различных партиях нефти одного месторождения растет от легких фракций к тяжелым и в товарных марках тяжелых топлив ее больше, чем в дизельных дистиллятах. Из-за резко отрицательного влияния на скорость изнашивания двигателей, нагароотложений, а также с целью охраны чистоты атмосферы долю серы в топливах ограничивают. Из сернистых соединений нефти наиболее реакционноспособными и активными в смысле воздействия на металл являются сероводород, сво­бодная сера и меркаптаны. Свободная сера и сероводород в топливах для судовых дизелей не допускается. Их конт­ролируют по специальной пробе на медную пластину. Мер­каптаны сильно корродируют металлы и образуют нераство­римые в топливе соединения, способные забивать трубопро­воды, фильтры и форсунки. Поэтому доля их в топливе должна быть минимальной и особенно в топливе, предназна­ченном для быстроходных дизелей. Сульфиты, дисульфиты, тиофены и другие сернистые соединения, находящиеся в нефти, менее агрессивны.

Все соединения серы являются агрессивными, поскольку в процессе сгорания топлива они превращаются в окислы S0₂ и S0₃, обусловливающие электрохимическую (влажностную) коррозию. Трехокись серы при высокой темпе­ратуре деталей (более 600 °С) может вызвать газовую кор­розию на выпускных клапанах и отдельных участках днища поршня. Кроме того, окись серы ускоряет процесс полиме­ризации углеводородов топлива и смазочного масла, вы­зывая, по мере возрастания доли серы в топливе, пропор­циональное увеличение нагаро- и лакоотложений на дета­лях дизеля.

Способность топлива сохранять состав и основные свой­ства при хранении, транспортировке и потреблении, назы­вают стабильностью, которая нарушается при воздействии смолистых веществ, находящихся в топливе или образую­щихся под влиянием внешних факторов.

Кроме рассмотренных характеристик жидкого топлива, определяющих в той или иной степени его качество, к ним также относят:

температуру вспышки, при которой топливо, нагревае­мое в строго определенных условиях, образует с окружаю­щим воздухом смесь, вспыхивающую с легким взрывом при поднесении к ней открытого пламени. Эта температура ха­рактеризует степень огнеопасности топлива. На судах реч­ного флота не допускается использовать топлива с темпера­турой вспышки ниже 61 °С;

температуру помутнения, при которой начинают выде­ляться из топлива кристаллы парафина. Задерживаясь на топливных фильтрах, эти кристаллы могут нарушать по­дачу топлива в двигатель;

температуру застывания, при которой прекращается текучесть топлива. От температуры застывания зависит подача топлива по трубопроводам без его подогрева.

В настоящее время нефтеперерабатывающая промыш­ленность выпускает дизельное топливо по ГОСТ 305—82 (табл. 2) для быстроходных дизелей (с частотой вращения более 17 с^-1). В зависимости от условий применения уста­новлены 3 марки дизельного топлива: Л (летнее) — пред­назначено для дизелей, эксплуатируемых при темпера­турах окружающего воздуха 0 °С и выше; З (зимнее) — при температурах воздуха минус 20 °С и выше (темпера­тура застывания топлива не выше минус 35 °С) и минус 30 °С и выше (температура застывания топлива не выше минус 45 °С), А (арктическое) — при температурах возду­ха минус 50 °С и выше.

По содержанию серы дизельные топлива подразделяют на два вида: с массовой долей серы не более 0,2 % и не бо­лее 0,5 % (для марки А не более 0,4 %).

В условное обозначение топлива должны входить: для марки Л массовая доля серы и температура вспышки; для марки З — массовая доля серы и температура застывания; для марки А — массовая доля серы. Например, топливо летнее с массовой долей серы до 0,2 % и температурой вспышки 61 °С должно быть обозначено: «Топливо дизель­ное Л —0,2 —61 ГОСТ 305—82».

У тяжелых топлив по сравнению с дизельным повышен­ные плотность, вязкость и температура застывания, не­сколько пониженная теплота сгорания, в них содержится большее количество тяжелых фракций нефти, золы, кокса, воды и механических примесей. Основные характеристики тяжелых топлив приведены в табл. 3. и 4.

В связи со значительным дефицитом дизельного топ­лива наиболее перспективными для дизелей судов речного флота являются моторное топливо ДТ, газотурбинное и флотский мазут Ф5. Однако эффективность применения, а во многих случаях и возможность их использования, свя­заны с необходимостью принятия специальных мер, пред­отвращающих ухудшение эксплуатационных показателей дизелей.

Перспективными для речного флота также являются но­вое судовое маловязкое топливо (см. табл. 3) и топливные смеси, которые могут быть приготовлены как на бункеро­вочных базах, так и непосредственно на судах. Применение смесей тяжелых топлив с дизельным позволяет; экономить дефицитное дизельное топливо, эксплуатировать все дви­гатели на топливах с наиболее оптимальными характери­стиками, варьировать качеством топлива (составом смеси) в зависимости от условий эксплуатации (режимов работы двигателей, их технического состояния и т. д.).