Учебное пособие Санкт-Петербург 2005 удк 662. 61. 9: 621. 892: 663. 63 Ббк г214(я7)

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Температура вспышки Температура самовоспламенения Детонационная стойкость Цетановое число Склонность нефтепродукта к отложениям Коррозионное свойство Кинематическая вязкость Классификация бензинов. Характеристики бензинов. 1.8. Топливо для реактивных двигателей. Иодное число 1.9. Дизельное топливо Основные эксплуатационные показатели дизельного топлива Самовоспламеняемость (цетановое число) Испаряемость (фракционный состав) Вязкость и плотность Низкотемпературные свойства Смазывающие (противоизносные) Химическая стабильность Коррозионная агрессивность ... Полное содержание

Подобный материал:

• Учебное пособие Санкт-Петербург 2011 удк 621. 38. 049. 77(075) Поляков, 643.33kb.
• Учебное пособие санкт-петербург 2005 удк 339. 9 (075. 80) Ббк, 703.64kb.
• Учебное пособие санкт Петербург 2010 удк 001. 8 Ббк, 1217.72kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург 2008 удк 005. 91: 004. 9(075. 8) Ббк 65. 291. 212., 97.7kb.
• Учебное пособие удк 159. 9(075) Печатается ббк 88. 2я73 по решению Ученого Совета, 5335.58kb.
• Учебное пособие Санкт-Петербург 2009 удк 802., 485.15kb.
• Учебное пособие Уфа 2005 удк 338 (075. 8) Ббк, 1087.66kb.
• Практическое пособие Санкт-Петербург 200x удк 621., 1676.56kb.
• Учебное пособие Рекомендовано учебно-методическим советом угаэс уфа-2005 удк 330., 1365.17kb.
• Учебное пособие санкт-петербург 2 004 удк 669. 2/8; 669. 4 (075. 80) Ббк 34., 990.55kb.

Летучесть нефтепродукта - физико-химическое свойство, определяющее давление насыщенных паров нефтепродукта.

Воспламеняемость нефтепродукта - эксплуатационное свойство, характеризующее пожаро- и взрывоопасность смеси паров нефтепродукта с воздухом.

Температура вспышки нефтепродукта - минимальная температура, при которой происходит кратковременное воспламенение паров нефтепродукта от пламени в условиях испытания.

Температура самовоспламенения нефтепродукта – температура возгорания паров нефтепродукта без контакта с пламенем в условиях испытания.

Температура воспламенения нефтепродукта - температура, при которой нефтепродукт, нагреваемый в условиях испытания, загорается и горит не менее 5 с.

Детонационная стойкость - физико-химическое свойство, определяющее способность бензина сгорать без взрыва в двигателе с искровым зажиганием.

Октановое число - показатель, указывающий детонационную стойкость бензина в единицах эталонной шкалы.

Цетановое число - показатель, указывающий скорость нарастания давления при сгорании жидкого нефтяного топлива в поршневых двигателях с воспламенением топливно-воздушной смеси от сжатия, выраженный в единицах эталонной шкалы.

Склонность нефтепродукта к отложениям - эксплуатационное свойство, характеризующее способность нефтепродукта образовывать жидкие и твердые отложения.

Термостойкость нефтепродуктов - физико-химическое свойство, определяющее способность нефтепродукта противостоять химическим превращениям под действием высоких температур.

Термоокисляемость нефтепродукта - термостойкость нефтепродукта в присутствии кислорода или воздуха.

Детергентность нефтепродукта - физико-химическое свойство, определяющее способность нефтепродукта диспергировать и удерживать частицы отложений во взвешенном состоянии.

Коксуемость нефтепродукта - показатель, указывающий склонность нефтепродукта образовывать коксовые отложения при сгорании.

Зольность нефтепродукта - показатель, указывающий наличие в нефтепродукте несгораемых веществ.

Коррозионное свойство нефтепродукта - физико-химическое свойство, определяющее склонность нефтепродукта оказывать корродирующее действие на металлы.

Динамическая вязкость нефтепродукта - мера внутреннего трения нефтепродукта, равная отношению тангенциального напряжения к градиенту скорости сдвига при ламинарном течении ньютоновской жидкости.

Кинематическая вязкость - Отношение динамической вязкости к плотности нефтепродукта.

Температура каплепадения нефтепродукта - температура падения первой капли пластичного нефтепродукта, нагреваемого в капсуле специального термометра.

Токсичность нефтепродукта - эксплуатационное свойство, характеризующее воздействие нефтепродукта или продуктов его разложения и сгорания на человека и окружающую среду.


1.5. Классификация нефтяных жидких топлив по назначению

Нефтяные жидкие топлива по основному назначению подразделяются на группы и подгруппы в соответствии с табл.2.

Таблица 2

Группа топлива	Подгруппа топлива	Обозначение марки топлива
Бензин Газотурбинное Дизельное Мазут Бытовое	Авиационный Автомобильный Реактивное Для судовых и стационарных энергетических установок (судовое) Для быстроходных двигателей (дистиллятное) Для среднеоборотных и малооборотных двигателей (смесевое) Флотский Топочный Мартеновский Печное Керосин	Б А Р Г Д ДТ Ф М МП П К

1.6. Бензин

Бензин – самый важный продукт переработки нефти; из сырой нефти производится до 50% бензина. Эта величина включает природный бензин, бензин крекинг-процесса, продукты полимеризации, сжиженные нефтяные газы и все продукты, используемые в качестве промышленных моторных топлив. Каждому процессу переработки нефти предъявляются требования по количеству и качеству производимого бензина.

Состав. Промышленный бензин представляет собой смесь углеводородов в интервале т.кип. 30–200C. Некоторые бутаны, кипящие при температуре ниже 38С, имеют высокое давление паров. Углеводороды в бензине включают многие изопарафины, а также ароматические углеводороды и нафтены, а в бензинах, полученных при крекинге, содержится от 15 до 25% олефинов. Октановое число углеводородов снижается в следующем порядке: изопарафины > ароматические > олефины > нафтены > н-парафины. Имеются различия между компонентами каждой из этих групп, зависящие от структуры молекул и точки кипения. Различные компоненты дают свой вклад в октановое число бензиновых смесей. Крекинг-бензины содержат значительный процент тех компонентов, при смешении которых образуется моторное топливо. Однако их прямое использование во многих странах законодательно ограничивается, поскольку они содержат заметное количество олефинов, а именно олефины являются одной из главных причин образования фотохимического смога.

Классификация бензинов. Бензины классифицируются по разным показателям, включая интервалы температур кипения, октановое число, содержание серы. Интервалы температур кипения. Большинство бензинов кипит в интервале 30–200С. Высокое содержание низкокипящих компонентов, таких, как бутаны и пентаны, обусловливает исключительно высокое давление паров и в теплое время является причиной образования паровых пробок, когда газовые пузырьки препятствуют течению топлива по узким трубам двигателей и тепловых установок. В то же время недостаток низкокипящих компонентов служит причиной трудностей запуска двигателя зимой. Октановое число. Октановое число – наиболее важная характеристика бензина. Оно обычно определяется в одноцилиндровой стационарной установке, снабженной различными приборами для регистрации склонности к детонации. Нормальный гептан (семь атомов углерода в линейной цепи) детонирует очень легко; для него принято нулевое октановое число. Изооктан (восемь атомов углерода в разветвленной цепи) не детонирует до тех пор, пока не будут достигнуты экстремальные условия давления, температуры и нагрузки; для него произвольно установлено октановое число 100. При испытании бензина с неизвестными детонационными свойствами его сравнивают со смесью гептана и изооктана, имеющей такую же способность к детонации, как и испытуемый бензин; октановое число бензина – это процентное содержание изооктана в такой смеси. Октановое число, определенное таким образом, не всегда соответствует характеристике в многоцилиндровом двигателе в дорожных условиях при изменяющихся скоростях, нагрузках и ускорениях. В нефтяной промышленности используются два метода, делающие это сравнение более реальным, – моторный метод и исследовательский метод. Октановое число определяется как среднее из двух таких определений. Присадки. Практически все бензины содержат различные присадки, в том числе ингибиторы смолообразования и небольшое количество красителя. Законодательством многих промышленно развитых стран существенно снижен допустимый уровень соединений свинца в бензине (этилированный бензин, т.е. содержащий добавки тетраэтилсвинца, повышающие октановое число бензина). Антидетонаторы — это вещества, которые добавляют к бензинам (не более 0,5%) для улучшения антидетонационных свойств. Достаточно эффективным антидетонатором является тетраэтилсвинец (ТЭС) Pb(C2H5)4. Однако бензин с ТЭС и продукты его сгорания очень токсичны. В настоящее время найдены новые антидетонаторы на основе марганец-органических соединений типа циклопентадиенпентакарбонилмарганца С5Н5Мn(СО)5. Они менее токсичны и обладают лучшими антидетонационными свойствами. Добавление этих антидетонаторов к хорошим сортам бензина позволяет получать топливо с октановым числом до 135.

Характеристики бензинов. Основным эксплуатационным свойством бензинов является детонационная стойкость. Детонация — это процесс очень быстрого сгорания рабочей смеси (взрывной) с образованием в камере сгорания ударных волн. Детонация приводит к прогоранию поршней и выпускных клапанов. Внешние признаки детонации — характерный металлический стук и вибрация, черный цвет отработавших газов (дым), неровная работа двигателя. Детонационные свойства оцениваются октановым числом, которое в свою очередь определяется двумя методами — исследовательским и моторным. Чем выше октановое число, тем больше стойкость к детонации, тем больше и возможная степень сжатия двигателя, а следовательно, и больше мощность и экономичность. Качество бензина определяется степенью загрязнения механическими примесями, содержанием кислот, щелочей, органических соединений, сернистых соединений, в присутствии которых повышается интенсивность износа двигателя (механические примеси), усиливается смолообразование и нагарообразование, коррозионное воздействие на детали.

Маркировка. В СНГ в настоящее время производят бензины: А-72, А-76, А-80, АИ-91, АИ-92, АИ-93, АИ-95 и АИ-98. Они выпускаются этилированными, малоэтилированными и неэтилированными, летних и зимних сортов. Все этилированные бензины окрашивают: А-72 — розовый; А-76 — желтый; АИ-93 — оранжево-красный; АИ-98 — синий.

Хранение. При длительном хранении бензина его качество снижается. Обычно на одну-две единицы уменьшается октановое число и возрастает количество смол за счет окисления углеводородов, которые входят в состав бензина. Смолы, содержащиеся в бензине, образуют вязкие, липкие соединения коричневого цвета, которые оседают на всех деталях, соприкасающихся с бензином или его парами. На процессы окисления бензина оказывает влияние ряд факторов. Медь и ее сплавы сильно ускоряют окисление, поэтому бензин в баке автомобиля, где имеются латунные заборная трубка и фильтрующая сетка, окисляется быстрее, чем в железной канистре. Способствует окислению и свободный доступ воздуха в емкость с бензином. В теплое время года процессы окисления протекают значительно интенсивнее, чем зимой. Бензин лучше всего сохраняется в плотно закрытой таре и в прохладном месте. Для этой цели пригодны канистры и подобные им емкости.


1.7. Керосин

Керосин – это легчайшее и наиболее летучее жидкое топочное топливо. Используется как компонент моторного топлива. Хороший керосин должен иметь особый цвет (приблизительно 250–300 мм по шкале Штаммера для нефтепродуктов), достаточную вязкость для устойчивой и равномерной пропитки фитиля, должен гореть ясным высоким пламенем без копоти или отложения твердых углистых осадков на фитиле, копоти в дымоходах и на ламповом стекле. Безопасность керосина при использовании в осветительных лампах определяется стандартным тестом на вспышку. Керосин медленно нагревают в небольшой стеклянной или металлической чашке и к поверхности периодически прикасаются пламенем до тех пор, пока не появится небольшой дымок, соответствующий точке воспламенения. На основе прямогонных керосиновых фракций получают реактивные топлива. Фракционный состав реактивных топлив различных марок различается.

1.8. Топливо для реактивных двигателей.

Основные требования, предъявляемые к реактивным топливам:

1. Обеспечение требуемой испаряемости топлива.
   
2. Низкая температура начала кристаллизации (не выше -60⁰С).
   
3. Высокая теплота сгорания топлива (низшая теплота сгорания должна быть для реактивных топлив не менее 43120 кДж/кг).
   
4. Низкая склонность к образованию отложений (образование нагара, который определяется долей ароматических углеводородов и продолжительностью окисления). Содержание ароматических углеводородов для дозвуковой авиации не более 22%, для сверхзвуковой не более 10%, для марки Т-6 и для Т-8В также не более 22%.
   
5. Термоокислительная стабильность (в течение 4-5 часов при температуре 150⁰С, определяют количество осадка, в течение 4 часов- количество осадка не должно превышать более 8 мг/100см³.
   
6. Низкая коррозионная активность (агрессивность), определяется содержанием общей серы, (содержание гетероатомных соединений не должно превышать 0,1% при содержании меркаптановой серы не более 0,003%). Сульфидная, теофеновая, теофановая сера не обладает коррозионной активностью. Содержание кислот, щелочей и механических примесей недопустимы.
   
7. Важной характеристикой топлива является Иодное число, которое определяет содержание непредельных углеводородов, образующихся в процессе ректификации (выражается в граммах J₂ на 100 грамм продукта). Норма не более 1 грамма J₂ на 100 грамм продукта.
   

В топливах для сверхзвуковой авиации при необходимости добавляют моюще-диспергирующие (детергентно-диспергирующие) присадки, которые необходимы для предотвращения прилипания частичек нагара к металлической поверхности. Эти поверхностно-активные вещества, препятствуют слипанию, укрупнению продуктов нагара или отложений.

1.9. Дизельное топливо

Дизельные топлива представляют собой фракцию от температуры начала кипения 140 - 200⁰С и до температуры конца кипения 330 – 360⁰С. Дизельное топливо используется в дизельных двигателях, где сжигание топлива происходит путем самовоспламенения топлива при повышении температуры до 700⁰С при сжатии воздуха. Топливо впрыскивается в жидком виде в форсунки и самовоспламеняется. Условия 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. По экономичности и надежности работы дизели успешно конкурируют с карбюраторными двигателями.

Основные эксплуатационные показатели дизельного топлива:

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

фракционный состав, определяющий полноту сгорания, дымность и токсичность отработавших 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 и условия хранения топлива;

степень чистоты, характеризующая надежность работы фильтров грубой и тонкой очистки и цилиндропоршневой группы двигателя;

температура вспышки, определяющая условия безопасности применения топлива в дизелях;

наличие сернистых соединений, непредельных углеводородов и металлов, характеризующее нагарообразование, коррозию и износ.

Самовоспламеняемость (цетановое число)

Цетановое число. Дизельные топлива оцениваются их цетановым числом – это реальное измерение легкости воспламенения под действием температуры и давления, а не способности горения. При этом топливо сравнивается со смесью цетана – парафинового углеводорода с 16-ю атомами углерода, который легко воспламеняется под давлением, и -метилнафталина, который не возгорается. Процент цетана в смеси, показывающий ту же воспламеняемость, что и дизельное топливо в стандартных условиях испытания, называется цетановым числом. Повышение надежности воспламенения низкокачественных дизельных топлив, улучшение воспламеняемости, более известное как увеличение цетанового числа, достигается добавлением специальных масел. Они включают такие компоненты, как органические оксиды и пероксиды. Небольшие добавки амилнитрата удовлетворительно улучшают качество топлив.

Цетановое число дизельного топлива определяет запуск двигателя, жесткость рабочего процесса (скорость нарастания давления), расход топлива и дымность отработавших газов. Чем выше цетановое число топлива, тем быстрее произойдут процессы предварительного окисления его в камере сгорания, тем скорее воспламенится смесь и запустится двигатель. Чем выше цетановое число топлива, тем ниже скорость нарастания давления и тем менее жестко работает двигатель.

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. Непредельные углеводороды характеризуются более низкими цетановыми числами, чем соответствующие им по строению парафиновые углеводороды. Чем выше температура кипения топлива, тем выше цетановое число, и эта зависимость носит почти линейный характер.

Бензиновые фракции также имеют низкие цетановые числа, и добавление их в дизельное топливо всегда заметно снижает цетановое число последнего. Европейским стандартом на дизельное топливо установлен нижний предел цетанового числа — 48 единиц.

Испаряемость (фракционный состав)

Характер процесса горения топлива в двигателе определяется двумя основными показателями — фракционным составом и цетановым числом. На сгорание топлива более легкого фракционного состава расходуется меньше воздуха, при этом благодаря уменьшению времени, необходимого для образования топливовоздушной смеси, процессы смесеобразования протекают более полно.

При испытаниях дизельного топлива утяжеленного фракционного состава с температурой конца кипения на 30°С выше, чем у стандартного летнего топлива, отмечен повышенный расход топлива в среднем на 3% и увеличение дымности отработавших газов в среднем на 10%. Одной из основных причин повышения расхода топлива является более высокая вязкость топлива утяжеленного фракционного состава.

Вязкость и плотность

Определяют процессы испарения и смесеобразования в дизеле, так как от них зависит форма и строение топливного факела, размеры образующихся капель, дальность проникновения капель топлива в камеру сгорания. Более низкая плотность и вязкость обеспечивают лучшее распыление топлива; с повышением указанных показателей качества увеличивается диаметр капель и уменьшается полное их сгорание, в результате увеличивается удельный расход топлива, растет дымность отработавших газов. Вязкость топлива влияет на наполнение насоса и на утечку топлива через зазоры плунжерных пар.

При уменьшении вязкости количество дизельного топлива, просачивающегося между плунжером и втулкой, возрастает, в результате снижается подача насоса. Перевод двигателя на топливо с меньшей плотностью и вязкостью может привести к прогару головок поршня, в связи с чем, требуется регулировка топливной аппаратуры.

От вязкости зависит износ плунжерных пар. 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. Из всех классов углеводородов наименьшая вязкость у алифатических. Эти же углеводороды в меньшей степени изменяют свою вязкость при охлаждении, т.е. имеют наиболее пологую вязкостно-температурную кривую. Ароматические и нафтеновые кольца в молекуле углеводорода повышают вязкость и ухудшают вязкостно-температурную зависимость. Хотя вязкость дизельных топлив при понижении температуры и повышается, поведение топлива, как правило, продолжает подчиняться закону Ньютона (вязкость не зависит от градиента сдвига) вплоть до выпадения кристаллов твердых углеводородов.

Низкотемпературные свойства

Низкотемпературные свойства характеризуются такими показателями, как температура помутнения, предельная температура фильтруемости и температура застывания, которая определяет условия складского хранения топлива — условия применения топлива, хотя в практике известны случаи использования топлив при температурах, приближающихся к температуре застывания. В дизельных топливах содержится довольно много углеводородов с высокой температурой плавления. Для большинства дизельных топлив разница между Tп и Tз составляет 5—7°С.

Для всех классов углеводородов справедлива закономерность: с ростом молекулярной массы, а следовательно, и температуры кипения, повышается температура плавления углеводородов. Однако весьма сильное влияние на температуру плавления оказывает строение углеводорода. Углеводороды одинаковой молекулярной массы, но различного строения могут иметь значения температур плавления в широких пределах. Наиболее высокие температуры плавления имеют парафиновые углеводороды с длинной неразветвленной цепью углеводородных атомов.

Исследования показали, что при охлаждении дизельных топлив в первую очередь выпадают парафиновые углеводороды нормального строения. При этом температура помутнения топлива не зависит от суммарного содержания в нем н-парафиновых углеводородов.

Для обеспечения требуемых температур помутнения и застывания зимние топлива получают облегчением фракционного состава. Так, для получения дизельного топлива с t₃ = –35°С и t_п = –25°С требуется понизить температуру конца кипения топлива с 360 до 320°С, а для топлива с t₃ = –45°С и t_n = –35 °С — до 280°С, что приводит к снижению отбора дизельного топлива от нефти с 42 до 30,5 и 22,4%, соответственно.

0. Смазывающие (противоизносные)
   

Топлива являются смазочным материалом для движущихся деталей топливной аппаратуры быстроходных дизелей, пар трения плунжерных топливных насосов, запорных игл, штифтов и других деталей.

Смазывающие свойства топлив значительно хуже, чем у масел, так как и вязкость, и содержание поверхностно-активных веществ (ПАВ) в топливах меньше, чем их содержание в маслах. Противоизносные свойства топлив улучшаются с увеличением содержания ПАВ, вязкости и температуры выкипания. Наиболее реальным способом улучшения смазывающих свойств дизельного топлива является применение противоизносных присадок.

Химическая стабильность

Химическая стабильность дизельного топлива — способность противостоять окислительным процессам, протекающим при хранении. Наличие гетероатомных соединений, особенно в сочетании с ненасыщенными углеводородами, способствует их окислительной полимеризации и поликонденсации, тем самым, влияя на образование смол и осадков.

Химическая стабильность оценивается по количеству образовавшегося в топливе осадка (мг/100 мл) по ASTM D 2274.

Коррозионная агрессивность

Стандартами на дизельные топлива регламентируются следующие показатели качества, характеризующие их коррозионную агрессивность: содержание общей серы, содержание меркаптановой серы и сероводорода, водорасворимых кислот и щелочей, испытание на медной пластинке.

Современная технология получения дизельных топлив практически исключает возможность присутствия в них элементной серы и сероводорода в количествах, вызывающих коррозионное воздействие на металлы. Большое влияние на коррозионную агрессивность дизельных топлив оказывает глубина их гидроочистки, так как при этом вместе с сернистыми и ароматическими соединениями удаляются поверхностно-активные вещества, в результате чего ухудшаются защитные свойства топлив. Удаление поверхностно-активных веществ приводит к снижению способности топлива вытеснять влагу с поверхности металлов и образовывать защитную пленку.

Коррозионная агрессивность дизельных топлив, в основном, зависит от содержания меркаптановой серы. Так, повышение содержания меркаптановой серы с 0,01% (норма ГОСТ) до 0,06% увеличивает коррозию более чем в 2 раза.

Коррозионная активность меркаптановой серы в дизельном топливе существенно зависит от присутствия в нем свободной воды и растворенного кислорода, которые ускоряют процесс образования меркаптидов.

Причиной повышенной коррозии и износа является присутствие в топливе металлов.

Склонность к нагарообразованию (степень чистоты топлива)

Этот показатель определяет эффективность и надежность работы двигателя, особенно топливной аппаратуры. Частицы загрязнений, размер которых более 4,0 мкм, вызывают повышенный износ деталей топливной аппаратуры, что предопределяет и соответствующие требования к очистке топлива.

Чистоту топлива оценивают коэффициентом фильтруемости, который представляет собой отношение времени фильтрования через фильтр из бумаги БФДТ при атмосферном давлении десятой порции фильтруемого топлива к первой. На фильтруемость топлива влияет наличие воды, механических примесей, смолистых веществ, мыл нафтеновых кислот. Присутствие в топливе поверхностно-активных веществ мыл нафтеновых кислот, смолистых соединений усугубляет отрицательное влияние эмульсионной воды на фильтруемость топлив. Содержание механических примесей в товарных дизельных топливах, выпускаемых нефтеперерабатывающими предприятиями, составляет 0,002-0,004%. Коэффициент фильтруемости дизельных топлив, отправляемых с предприятий, находится в пределах 1,5—2,5.


Современные и перспективные требования к качеству дизельных топлив. Ассортимент, качество и состав дизельных топлив

Нефтеперерабатывающей промышленностью вырабатывается дизельное топливо по ГОСТ 305—82 трех марок: Л — летнее, применяемое при температурах окружающего воздуха 0 °С и выше; 3 — зимнее, применяемое при температурах до -20°С (в этом случае зимнее дизельное топливо должно иметь tз < -35°С и t_п < -25°С), или зимнее, применяемое при температурах до -30°С, тогда топливо должно иметь tз < -45°С и t_п < -35°С), марки А — арктическое, температура применения которого до -50°С. Содержание серы в дизельном топливе марок Л и 3 не превышает 0,2% — для I вида топлива и 0,5 — для II вида топлива, а марки А — 0,4%. Для удовлетворения потребности в дизельном топливе разрешаются, по согласованию с потребителем, выработка и применение топлива с температурой застывания 0°С без нормирования температуры помутнения.

В соответствии с ГОСТ 305—82 принято следующее условное обозначение дизельного топлива: летнее топливо заказывают с учетом содержания серы и температуры вспышки (Л-0,2-40), зимнее — с учетом содержания серы и температуры застывания (3-0,2-минус 35).


Улучшение смазочных свойств дизельных топлив

Топлива в дизельных двигателях являются смазочным материалом для движущихся деталей топливной аппаратуры, трущихся пар плунжерных топливных насосов. В связи с этим, они должны обладать хорошими противоизносными свойствами. Установлено, что при снижении содержания серы в дизельном топливе с 1,0 до 0,03% уменьшается износ плунжеров в 2 раза, при этом особенно сильно влияют на износ меркаптаны. Кроме сернистых соединений, на противоизносные свойства дизельных топлив может влиять также вязкость, кислотность и присутствие воды.


Технологии для улучшения экологических и эксплуатационных характеристик дизельных топлив

Экологически чистое дизельное топливо выпускают двух марок летнего (ДЛЭЧ-В и ДЛЭЧ) и одной марки зимнего (ДЗЭЧ) дизельного топлива с содержанием серы до 0,05% и до 0,1%.

С учетом ужесточающихся требований по содержанию ароматических углеводородов введена норма по этому показателю: для топлива марки ДЛЭЧ-В — не более 20%, для топлива марки ДЗЭЧ — не более 10%. Экологически чистые топлива вырабатывают гидроочисткой дизельного топлива, допускается использование в сырье гидроочистки дистиллятных фракций вторичных процессов.

Добавка присадок в городское дизельное топливо снижает дымность и токсичность отработавших газов дизелей на 30-50%. В качестве антидымной присадки может быть использована отечественная ЭФАП-Б, допущенная к применению. Активным веществом этого продукта является барий.

Депрессорные присадки, улучшающие низкотемпературные свойства топлива представляют собой, в основном, сополимеры этилена с винилацетатом зарубежного производства.

Европейский стандарт EN 590 действует в странах Европейского экономического сообщества с 1996 г. Стандарт предусматривает выпуск дизельных топлив для различных климатических регионов. Общими для дизельных топлив являются требования по температуре вспышки — не ниже 55⁰С, коксуемости 10%-ного остатка — не более 0,30%, зольности — не более 0,01%, содержанию воды — не более 200 ppm, механических примесей — не более 24 ppm, коррозии медной пластинки — класс 1, устойчивости к окислению — не более 25 г осадка/м³.

Для районов с умеренным климатом изготовляют 6 марок дизельного топлива: А, В, С, D, Е и F с предельной температурой фильтруемости +5, 0, -5, -10, -15 и -20°С, соответственно.

В 1996 г. в Европе введены ограничения на содержание серы в дизельных топливах — не более 0,05%.


1.10. Котельные и тяжелые моторные топлива

Общие физико-химические свойства

К котельным топливам относят топочные мазуты марок 40 и 100, 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 производства топлив.

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

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 транспортировании 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 с помощью вискозиметра ВУМ.

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 связанном состоянии (меркаптановая сера, сероводород). Наиболее коррозионно-агрессивных соединений — меркаптановой серы — в остаточных топливах меньше, чем в среднедистиллятных фракциях. Поэтому коррозионная агрессивность 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) близка к 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 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. Теплота сгорания зависит от отношения Н/С, а также элементного состава топлива и его зольности. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При определении высшей теплоты сгорания учитывают, что часть тепла, выделяющегося при сгораний топлива, расходуется на конденсацию паров воды, образовавшейся при сгорании водорода в топливе. При определении низшей теплоты сгорания тепло, затрачиваемое на образование воды, не учитывается.

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°С и практически постоянна при хранении топлив. Тяжелые моторные топлива, получаемые смешением остаточных и дистиллятных фракций, довольно не стабильны, их t при хранении может повышаться на 4—15 °С. Явление это присуще только топливам, содержащим остаточные компоненты — такие 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 более жесткой кристаллической структуры. Это свойство топлив очень затрудняет их применение и не позволяет гарантировать соответствующее качество после хранения и транспортирования.

Учитывая нестабильность t_заст, стандарты на флотский мазут, моторное топливо предусматривают гарантии изготовителя: по истечении 3 мес. хранения температура застывания не должна превышать установленного стандартом значения минус 5°С — для флотского мазута и моторного 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.

Температура вспышки определяет требования к пожарной безопасности остаточных топлив. Для котельных топлив нормируется температура вспышки в открытом тигле (90—100°С); эти нормы обеспечивают безопасную работу котельных установок.

Температура вспышки, °С: в открытом тигле	Мазут марки 40	Мазут марки 100
	92	120

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. 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 вследствие 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 отработавших газов. Равномерное распределение и образование воды в виде мелкодисперсных частиц обеспечивается с помощью специальных устройств: кавитаторов, смесителей.

Механические примеси засоряют фильтры и форсунки, нарушая процесс распыливания топлива. Установлены требования к содержанию механических примесей: для мазута марки 40 — не более 0,5 %, марки 100 — не более 1,0 %. Фактически топочные мазуты вырабатывают с более низким содержанием механических примесей — до 0,2 %.

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 теплоотдачу, повышает температуру отходящих газов, снижает КПД котлов и газовых турбин.

Зольность топлив зависит, прежде всего, от содержания солей в нефти. Улучшение обессоливания нефтей на нефтеперерабатывающих предприятиях в последние годы позволило получить обессоленные нефти с содержанием солей не более 3—5 мг/л и вырабатывать котельные топлива с лучшими показателями зольности.

С углублением переработки нефти изменяется компонентный состав мазута вследствие более полного отбора из него дизельных фракций на установках вторичной переработки нефти. В результате, в топочном мазуте увеличивается содержание асфальто-смолистых веществ. Это приводит к снижению эффективности горения и ухудшению стабильности при хранении, образованию осадков и увеличению выбросов сажи в окружающую среду. Для таких топлив целесообразно использование полифункциональной присадки, например, ВНИИНП-200. Механизм ее действия основан на разрушении структуры асфальто-смолистых веществ мазута, благодаря чему улучшается его гомогенность и физическая стабильность, улучшается качество распыливания.

Склонность к образованию отложений

Этот весьма важный эксплуатационный показатель принято оценивать по содержанию смолистых веществ, асфальтено-смолистых веществ, зольностью, термостабильностью и нагарообразованием.

Совместимость топлив

Данный показатель характеризует устойчивость топлива к коагуляции и расслоению при смешении с другими марками топлив в процессе хранения и эксплуатации.

Коррозионная активность топлив

Надежная работа двигательной установки во многом определяется совместимостью топлива и конструкционных материалов, которую принято оценивать, в случае остаточных топлив, коррозионной активностью, определяемой, в свою очередь, содержанием сернистых соединений, водорастворимых кислот и щелочей, а также коррозионно-активных металлов.

Защитные свойства топлив

Антикоррозионные свойства оцениваются эффектом воздействия обычной и морской воды на металлы в присутствии топлива. Контроль этих свойств весьма важен, поскольку специфика хранения и эксплуатации разрабатываемых топлив, их высокая вязкость и низкие деэмульгирующие свойства создают благоприятные условия для электрохимической коррозии.

Суть квалификационных методов оценки защитных свойств состоит в оценке изменения массы металлических тел, подвергающихся воздействию пресной или морской воды.

Стабильность топлив

Для компаундированных систем, какими являются разрабатываемые топлива, данное качество принято оценивать временем расслаивания и выпадения второй фазы, которые определяются по выпадению осадка из топлива при центрифугировании.

В качестве критерия стабильности используется фактор устойчивости, определяемый отношением концентраций асфальтенов в слоях, отстоящих на определенном расстоянии друг от друга в направлении градиента центробежного поля.

Прокачиваемость топлив

Определяющим этот показатель являются вязкостно-температурные свойства, содержание воды, механических примесей и ПАВ.

Низкотемпературные свойства

Характеризуют условия слива и перекачки топлива. Они зависят от двух основных факторов: качества перерабатываемой нефти и способа получения топлива. Тяжелые моторные топлива, получаемые смешением остаточных и дистиллятных фракций, довольно не стабильны, их t при хранении может повышаться на 4—15°С. Это явление присуще только топливам, содержащим остаточные компоненты — такие, 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 более жесткой кристаллической структуры. Это свойство топлив очень затрудняет их применение и не позволяет гарантировать соответствующее качество после хранения и транспортирования.

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.

Ассортимент, качество и состав тяжелых видов моторных топлив

Стандарт на котельное топливо предусматривает выпуск четырех его марок: флотских мазутов Ф-5 и Ф-12, которые по вязкости классифицируются как легкие топлива, топочных мазутов марки 40 — как среднее и марки 100 — тяжелое топливо. Цифры указывают ориентировочную вязкость (соответствующих марок мазутов при 50°С).
В зависимости от содержания серы топочные мазуты подразделяют на низкосернистые — до 0,5%, малосернистые — от 0,5% до 1,0%, сернистые — от 1,0 до 2,0% и высоко-сернистые от 2,0 до 3,5%.

Топочные мазуты марок 40 и 100 изготовляют из остатков переработки нефти. В мазут марки 40 для снижения температуры застывания до 10°С добавляют 8—15% среднедистиллятных фракций, в мазут марки 100 дизельные фракции не добавляют.

Флотские мазуты марок Ф-5 и Ф-12 по сравнению с топочными мазутами марок 40 и 100 обладают лучшими характеристиками: меньшими вязкостью, содержанием механических примесей и воды, зольностью и более низкой температурой застывания. Флотский мазут марки Ф-5 получают смешением продуктов прямой перегонки нефти: в большинстве случаев 60—70% мазута прямогонного и 30—40% дизельного топлива с добавлением депрессорной присадки. Флотский мазут марки Ф-12 вырабатывают в небольших количествах на установках прямой перегонки нефти. Основными отличиями 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°С.

Кроме флотских и топочных мазутов, промышленность выпускает технологическое экспортное топливо, изготовляемое только из продуктов прямой перегонки нефти. Мазут марок М-40 и М-100 применяют в стационарных паровых котлах и промышленных печах.

Цифры в маркировке этих топлив обозначают вязкость условную, определенную при 50°С. Вязкость - основной показатель этого вида топлива.

Флотский мазут получают из прямогонных остаточных фракций нефти. Флотский мазут Ф-5 представляет собой смесь продуктов прямой перегонки нефти, т.е. состоит из 45-55% мазута и, соответственно, 55-45% дизельной фракции. Дизельную фракцию добавляют для уменьшения вязкости (также могут добавить до 22% керосино-газойливой фракции в качестве альтернативы). Керосино-газойливую фракцию получают путем деструктивной (разложением углеводородов) переработки нефтяного сырья, как продукт каталитического или термического крекинга.

Флотский мазут Ф-12 получают из прямогонных фракций, выкипающих выше 350°С, и в зависимости от характеристик мазута добавляется до 30% дизельной фракции.

Мазут топочный М-40 получают из остатков прямой перегонки нефти с добавлением от 8-15% дизельной фракции. Основа прямогонной фракции выше 350°С.

Мазут М-100 это чистый продукт прямогонной перегонки нефти, выкипающий выше 350°С и дизельное топливо здесь не добавляют.

Мазут экспортный - смесь 85-90% мазута прямой перегонки и 10-15% дистиллятных фракций (дизельной или керосиново-газойлевой фракции. Маркируется М-1,0; в маркировке указано содержание серы (1%) - это верхний предел для экспортного мазута.

Основные эксплуатационные характеристики котельных и тяжелых топлив

Эксплуатационные характеристики определяются поведением топлива в условиях хранения, транспортировки и эксплуатации. Эти показатели определяются следующими физико-химическими характеристиками:

1. Вязкость - определяет методы и продолжительность сливно-наливных операций, условия перевозки и перекачки, гидравлическое сопротивление при транспортировке по трубопроводам и эффективность работы форсунок. От вязкости будет зависеть способность отстаивания от воды, чем выше вязкость, тем труднее отделяется вода. По химическому составу все темные топлива отличаются наличием твердых парафинов, асфальто-смолистых веществ.
   
2. Содержание серы - нормы по содержанию серы определяются характеристиками нефти, из которой получен мазут. Сера в легких дистиллятах темных топлив содержится в виде различных соединений. В остаточных фракциях сера неактивная: сульфиды, теофены, теофаны. Наличие в дымовых газах SO₃ повышает температуру начала конденсации газа (повышает точку росы), в результате чего на поверхностях котлов конденсируются капли серной кислоты.
   

3. Теплота сгорания - от теплоты сгорания зависит расход топлива, измеренного кДж/кг, т.е. это выделение тепла на единицу топлива. ГОСТом нормируется низшая теплота сгорания - это теплота сгорания, не учитывающая расход тепла на конденсацию паров воды. Высшая теплота сгорания - это теплота сгорания, учитывающая затраты тепла на конденсацию воды. Теплота сгорания зависит от химического состава и от соотношения углерод-водород. Кроме того, низшая теплота сгорания зависит от содержания сернистых соединений. Для топлив высокосернистых она ниже, чем для малосернистых. Для котельных топлив низшая теплота сгорания Q_H=39900-41580 дж/кг, при ρ=940-970 кг/м³.

4. Температура застывания - характеризует условия хранения, слива и перекачки. Зависит от качества перерабатываемой нефти и от способа получения топлива. Для топочных мазутов М-40 и М- 100 температура застывания должна быть до +25⁰С.

5. Температура вспышки для флотских мазутов определяют в закрытом тигле (не ниже 75-80°С), для котельных топлив определяют в открытом тигле (не ниже 90-100°С).
   
6. Содержание примесей - содержание примесей воды, механических примесей, определение зольности. Показатель зольности характеризует содержание в топливе солей металла.