Раздел 3. Жидкое топливо и его сжигание

Основным видом жидкого энергетического топлива является мазут. Он представляет собой тяжелый оста­точный продукт переработки нефти и состоит из наи­более тяжелых углеводородов. В его состав входят так­же асфальтосмолистые вещества, сернистые соединения, минеральные примеси и влага, перешедшая в мазут из нефти.

Асфальтосмолистые вещества в мазуте прямой пере­гонки находятся в своем первоначальном виде, а в крекинг-мазуте большая их часть превращается в твер­дые вещества, отличающиеся повышенным содержанием серы, асфальтены, карбены и карбоиды.

Асфальтены представляют собой твердые высокомо­лекулярные аморфные вещества, полученные в процессе конденсации (сгущения) асфальтосмолистых соединений нефти и мазута. Они содержат меньше, чем в мазуте, водорода и больше кислорода. В мазуте асфальтены находятся в виде укрупненных коллоидно-дисперсных взвешенных частиц. Карбены являются продуктом даль­нейшей конденсации асфальтенов. В мазуте они нахо­дятся в твердом состоянии (обычно в виде нитей) и ха­рактеризуются повышенным содержанием кислорода. Конечный продукт уплотнения асфальтенов - карбои­ды - представляют собой коксовый остаток, образую­щийся при нагревании нефти и мазута до 400 °С и выше.

Асфальтены, карбены и карбоиды, отлагаясь в тру­бах, на днищах резервуаров, на поверхностях теплооб­менников, в форсунках, вызывают значительные затруд­нения при транспортировке, хранении, подогреве и рас­пылении мазута. При нагревании и термическом раз­ложении они образуют частицы кокса, что вызывает потерю теплоты вследствие неполного сгорания топлива.

Минеральные примеси в мазутах представляют собой соли щелочных металлов. Так же, как и содержание серы, содержание минеральных примесей в топочных мазутах значительно превосходит содержание минеральных примесей в исходной нефти. При сжигании мазута часть минеральных примесей переходит в оксиды, обу­словливая образование золы. Зольность топочных ма­зутов обычно не превышает 0,1%.

Согласно стандартам, в мазуте, поставляемом потребителям, содержание воды не должно превышать 1,5 %.

Однако при разогреве мазута острым паром пе­ред сливом из цистерн происходит сильное об­воднение мазута и со­держание воды в нем до­стигает 5 % и более.

3.1. Технические характеристики мазута

Основными характе­ристиками мазута, ока­зывающими существен­ное влияние на его ис­пользование, являются вязкость, плотность, тем­пература застывания, вспышки, воспламенения и самовоспламенения.

Вязкость, или внутреннее трение - свойство жид­кости оказывать сопротивление перемещению одной ча­сти жидкости относительно другой. Вязкость как фи­зическую величину выражают либо коэффициентом ди­намической вязкости μ (Па·с), либо коэффициентом кинематической вязкости ν (м²/с). При этом ν = μ/ρ, где ρ - плотность, кг/м³.

Для сравнительной оценки высоковязких продуктов, каким является мазут, обычно пользуются условной вяз­костью, представляющей собой отношение времени ис­течения 200 мл мазута при заданной температуре ко времени истечения такого же объема дистиллированной воды при 20 °С. Она выражается в градусах условной вязкости (°УВ).

Вязкость мазута зависит от многих факторов и в пер­вую очередь от химического состава. Отмечено, что чем выше температура кипения нефтяной фракции, тем боль­ше его вязкость; поэтому вязкость крекинг-мазута всег­да больше вязкости прямогонного мазута. При увели­чении температуры вязкость мазута уменьшается (рис.8), поэтому для облегчения транспортировки и повыше­ния качества распыления производят его подогрев.

Рис. 8. Зависимость вязкости ма зута от температуры:

1 - марки М100; 2 - марки М40

С уве­личением давления вязкость мазута повышается, однако в области обычных для топочной техники давлений за­висимость вязкости мазута от давления невелика и при практических расчетах ею пренебрегают.

От вязкости мазута зависят затраты энергии на транс­портировку его по трубопроводам, время слива из емкостей, скорость и полнота отстаивания от воды и меха­нических примесей, эффективность распыления.

Плотность - это масса вещества в единице объема (в кг/м³), которая отражает товарное качество нефте­продукта. Показателем плотности пользуются в расче­тах для определения вместимости резервуаров мазута, расхода энергии на его перекачку и др. Для практиче­ских целей чаще пользуются относительной плотностью, которая представляет собой безразмерную величину, численно равную отношению плотности данной жидкос­ти при температуре к плотности дистиллированной во­ды при 4°С. Для определения плотности нефтепродук­тов применяют ареометр.

Плотность так же, как и вязкость, зависит от темпе­ратуры. С повышением температуры плотность умень­шается. С достаточной степенью точности изменение плотности в зависимости от температуры описывает ли­нейный закон Д. И. Менделеева:

где ρ - плотность мазута при заданной температуре;

ρ₂₀ - плотность мазута при стандартной температуре -20 °С;

а — поправка на изменение плотности при из­менении температуры на 1 °С (для мазутов она находит­ся в пределах 0,0005 -0,0006).

Плотность мазута в значительной степени определяет скорость отстаивания мазута от воды. Относительная плотность прямогонных мазутов ниже единицы, а кре­кинг-мазутов всегда выше единицы и достигает 1,06. При плотности мазута, меньшей плотности воды, отста­ивание происходит сравнительно быстро. При приближе­нии плотности мазута к единице скорость отстаивания падает, а для мазутов, плотность которых превыша­ет единицу, отстаивание практически не происходит, так как мазут в резервуаре находится ниже воды.

Температура вспышки, воспламенения, самовоспла­менения и застывания жидкого топлива.

Температура вспышки называется температура, при которой пары топлива, нагреваемого в стандартных условиях, образуют с окружающим воздухом горючую смесь, вспы­хивающую при поднесении к ней пламени. Горение при этом моментально прекращается. Если продолжать нагревание жидкости, то при достижении определенной температуры продукт, вспыхнувший от внешнего источника пламени, горит в течение нескольких секунд (не менее 5). Эту температуру называют температурой воспламенения, или верхним пределом температуры вспышки, жидкого топлива.

Температура вспышки определяется двумя методами: в открытом и закрытом тиглях. Отличие температур, определяемых по этим способам, довольно ощутимо. Для топочных мазутов, согласно стандарту, температура вспышки определяется в открытом тигле. Для этого предварительно обезвоженный мазут наливают в тигель, подогревают до температуры на 10 °С ниже ожидаемой температуры вспышки и подносят к поверхности топлива источник пламени. Эту операцию повторяют через каж­дые 2 °С и за температуру вспышки принимают ту тем­пературу, при которой появляется первое пламя. Тем­пературу воспламенения мазута также определяют в открытом тигле.

Температуры вспышки и воспламенения связаны с температурой кипения соответствующих фракций топ­лива. Чем легче фракция, тем ниже температура вспыш­ки и воспламенения. Например, температура вспышки бензиновых фракций ниже нуля (до - 40 °С), нефти - 20-40 °С, парафинистых мазутов - 55-70 °С, прямо-гонных мазутов, не содержащих парафинов - 140-230 °С. Температура воспламенения нефтепродуктов обыч­но на 50-70 °С выше температуры вспышки мазута.

Применение жидких топлив с низкой температурой вспышки связано с рядом трудностей. Пары и газы, вы­деляемые при нагревании топлива, являются токсич­ными и образуют с воздухом взрывчатую смесь. Поэтому максимально возможная температура подогрева жидкого топлива в открытой емкости должна быть ниже темпера­туры вспышки не менее чем на 10 °С и не выше 95 °С даже для высоковязких крекинг-мазутов. При перека­чивании подогретых топлив с низкой температурой вспы-шки возможно их вспенивание во всасывающем пат­рубке насоса, особенно при перекачке обводненного топлива.

Температурой самовоспламенения называется темпе­ратура, при которой жидкое топливо воспламеняется без внешнего источника пламени. Для мазутов она на­ходится в пределах 500-600 °С.

Для транспортировки мазута по трубопроводу и слива его из железнодорожных цистерн важное значение имеет температура, при которой он теряет подвижность (назы­вается температурой застывания). Потеря подвижности мазута может быть вызвана как повышением его вязкос­ти, так и кристаллизацией растворенных в нем высоко­молекулярных углеводородов.

При определении температуры, застывания мазут предварительно подвергают термообработке, при кото­рой происходит плавление кристаллов высокомолеку­лярных углеводородов. Затем его охлаждают в пробирке До предполагаемой температуры застывания. Температу­ра при которой уровень мазута в пробирке, наклонен­ной к горизонту под углом 45°, остается неподвижным в течение 1 мин, принимается за температуру засты­вания.

Прямогонные мазуты и особенно крекинг-мазуты обладают высокой температурой застывания, достигающей С, причем она уменьшается при понижении плот­ности и увеличивается с повышением вязкости.

Марки мазута. Выпускаемый мазут делится на флотский и топочный. Флотский мазут представляет собой смесь мазута прямой перегон­ки с нефтяными дистиллятами. Он предназначен для судовых газовых турбин и двигателей. Топочный мазут состоит либо из крекинг-мазута, либо из смеси крекинг-мазута и прямогонного мазута. Он предназначен для сжигания в топках. Вязкость и плотность топочного ма­зута выше флотского.

В соответствии со стандартами мазуты выпускаются следующих марок: флотские Ф5 и Ф12 и топочные М40, М100, М200. Подразделение мазутов на марки производится в зависимости от условной вязкости. Вязкость флотских мазутов определяют при температуре 50 °С. Мазут мар­ки Ф5 характеризуется условной вязкостью, не превы­шающей 5 °УВ, а марки Ф12—12°УВ. Для удоб­ства определение вязкости топочных мазутов произво­дят при температуре 80 °С, при которой она не должна превышать 8 и 16°УВ соответственно для мазута М40 и М100. Мазут марки М40 используется в промышленных печах, судовых котлах и небольших котельных установ­ках. Мазут марки М100 предназначен для сжигания в крупных стационарных котлах электростанций и мартеновских печах

Топочные мазуты в зависимости от содержания серы делятся на малосернистые (до 0,5 %), сернистые (от 0,5 до 2 %) и высокосернистые (> 2 %).Технические требования, предъявляемые к топочным мазутам, согласно стандартам, приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Технические требования, предъявляемые к топоч-

ным мазутам

Показатель	Единица измере­ния	Марка мазута
		М40	М100
Условная вязкость при 80 °С, не более Кинематическая вязкость, не более Плотность при 20 °С, не более Содержание механических примесей, не более Содержание воды, не более Содержание серы для мазута, не более: малосернистого сернистого высокосернистого Зольность, не более Температура вспышки в открытом тигле, не ниже Температура застывания мазута: из невысокопарафиновой нефти из высокопарафиновой нефти Удельная теплота сгорания мазута (низшая в пересчете на сухое топ­ливо), не менее: малосернистый и сернистый высокосернистый	оУВ мм2/с кг/м3 % % % % % % оС оС оС МДж/кг МДж/кг	8 59 - 0,8 1,5 0,5 2 3,5 0,12 90 10 25 40,74 39,9	16 118 1015 1,5 1,5 0,5 2 3,5 0,14 110 25 42 40,53 39,9