1.5 Котельное топливо и его сгорание. Прием и хранение топлива на судне.

1.5.1 Марка топлива

Топливо – это вещество, которое при сгорании выделяет большое количество теплоты и используется как источник получения энергии.

По своему физическому состоянию топливо делиться на твердое, жидкое и газообразное.

Основным видом твердого топлива является уголь. Но количество котельных установок, работающих на угле крайне незначительно.

Газообразные котельные установки на судах практически не используются.

В современных котельных судовых установках сжигают жидкое топливо топочный мазут, а иногда и топливо, используемое в главных двигателях. Это могут быть маловязкие (дизельные и газотурбинные) и высоковязкие топлива. Газотурбинное топливо дешевле, но по качественным показателям значительно уступает дизельному и в первую очередь из-за склонности к нагарообразованию и отложению смолистых веществ.

Для энергетических установок судов морского флота предусматривается применение отечественных нефтяных топлив следующих двух основных групп: маловязкие топлива марок Л, ДЛ, ДС, ДЗ, высоковязкие топлива – мазуты марок: топочный 40, 40В, экспортные М-09, М-15, М-20, флотские Ф5, Ф12, моторные топлива марок ДТ и ДМ.

Для повышения эксплуатационных показателей посредством снижения расходов на топливо в судовых котлах стремятся сжигать по возможности менее качественное топливо, в основном мазуты, представляющие собой конечные продукты перегонки нефти. На теплоходах с главными двигателями, работающими на дизельных и газотурбинных топливах, эти же топлива используют и в котлах, но лишь при отсутствии автономной мазутной топливной системы котла. Дизельное топливо применяют лишь при розжиге котла, поскольку для него не требуется предварительный подогрев.

Топлива, используемые на морских судах, должны иметь следующие основные свойства:

Высокую теплоту сгорания;

1. минимальное содержание влаги, серы, золы или иных примесей;

2. отсуствие склоности к самовозгоранию;

3. сравнительно невысокую стоимость;

4. постоянные характеристики при длительном хранении.

От качества топлива, принятого на судно для котлов зависят не только показатели работы энергетической установки, но и технико-экономические показатели и эксплуатационные показатели судна в целом.

1.5.2 Химический состав и основные характеристики топлива.

В состав натурального органического топлива входят слекдующие элементы: углерод С, водород Н, Кислород О, азот N, сера S, зола А, влага W, Элементарный состав принято давать в процентах к массе 1 кг.

Горючими элементами являются углерод, водород и часть серы, называемой горючей (летучей) серой. Часть серы, называемой негорючнй, уже окислена и при горении переходит в золу. Влага и зола называются балластом, так как они являются негорючей частью топлива и ухудшают его свойства.

Различают 3 основные массы топлива: рабочую, сухую и горючую.

Рабочая масса характеризует состав топлива в том виде, в котором оно сжигается в топке. Рабочая масса не является постоянной, так как содержание влаги и золы может меняться в зависимости от добычи, хранения и перевозки топлива. Для рабочей массы топлива:

Сухая масса характеризует безводный состав топлива. Оно рассматривается потому, что в характеристиках топлива теплоту сгорания приводят в пересчете на сухое топливо. Для сухой массы топлива (%):

Горючая масса характеризует безводный и беззольный состав топлива. Для горючей массы (%):

Относительную оценку различных сортов топлива чаще проводят по горючей массе как более стабильной и характеризующей ценность топлива.

При пересчете горючей массы в рабочую должны быть известны масса золы А^Р, и влаги W^Р на рабочую массу топлива.

Для пересчета элементарного состава топлива одной массы на другую используют переводные множители. Например, пересчет с горючей массы на рабочую углерода и водорода производится по выражениям:

Важнейшей характеристикой топлива, определяющей его тепловую ценность, является теплота сгорания.

Теплота сгорания топлива – это количество теплоты в килоджоулях, которое выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг. Различают высшую и низшую теплоту сгорания.

Высшей теплотой сгорания называется количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива массой 1 кг при условии, что продукты сгорания охлаждены до температуры конденсации содержащихся в них водяных паров.

Низшей теплотой сгорания Q_н^P называется количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива массой 1 кг, но за вычетом теплоты затраченной на испарение влаги топлива и влаги, образующейся при сгорании водорода топлива.

Расчеты, как правило, производят, учитывая низшую теплоту сгорания, так как дымовые газы, покидающие котел, имеют температуру, при которой содержащиеся в них водяные пары практически не конденсируются. Значение теплоты сгорания определяется в лабораториях.

На судне могут использоваться топлива, имеющие разную теплоту сгорания. Для учета израсходованного топлива разных марок введено понятие условного топлива, теплота сгорания которого принята равной 29330 кДж/кг (7000 ккал/кг).

Для пересчета натурального топлива В_нат в условное В_У используется калорийный эквивалент

на который умножают расход В_НАТ натурального топлива данного вида, т.е.

Если на судне израсходованно два вида топлива массой В1 и В2 с теплотой сгорания соотвественно Q^Р1_н и Q^Р2_н, то расход условного топлива:

Вязкость – это показатель текучести нефтепродуктов. Текучесть топлива зависит от его температуры. Поэтому вязкость является величеной переменной.

Различают кинематическую и динамическую вязкость.

Динамическая вязкость – это вязкость жидкости, в которой при изменении скорости движения в 1 м/с на расстоянии 1 м касательные напряжения равно 1 Па. Единицей измерения динамической вязкости является Па*с.

Единицей кинематической вязкости является м²/с. (мм² /с)

Кинематической вязкостью называется отношение динамической вязкости к плотности среды.

Зависимость между единицами вязкости при различных температурах дана в номограммах.

Вязкость определяет не только качество распыливания топлива при сжигании его в топках котлов, но и условия его транспортировки и хранения из-за низких температур застывания некоторых марок.

Плотность – это косвенная характеристика химических свойств и фракционного состава топлива. Под плотностью ρ²⁰₄ понимается отношение массы топлива при температуре 20⁰С к массе воды при температуре 4⁰С, занимающей тот же объем.

Плотность топлива необходимо знать для подсчета запаса топлива в емкостях, которое принимается на судно по объему, а учитывается по массе. Плотность уменьшается при увеличении температуры, что необходимо учитывать при бункеровке и учете расхода топлива. Значение плотности при определенной температуре обычно указывается в сертификате или паспорте на принимаемое топливо. Плотность топлив:

Маловязкое 0,83 - 0,089

Вязкое 0,92 – 1,00

Температура застывания – это температура, при которой нефтепродукты теряют свою естественную текучесть. Температура застывания определяет условия хранения и перекачки топлива на судне. Мазуты с высокой температурой застывания использовать затруднительно, так как необходимы развитые системы разогрева топлива в бункерах и обогрева трубопроводов, что приводит к усложнению и удорожанию установки и увеличению расхода топлива. В судовых условиях нормальное использование топлива возможно, если температура застывания топлива не превышает 10⁰С. Застывание мазутов при различных температурах обуславливается различным содержанием в мазутах парафинов.

Температура вспышки – минимальная температура нагрева нефтепродукта, при которой его пары в смеси с окружающим воздухом вспыхивают от соприкосновения с пламенем и затем быстро гаснут. Жидкая масса топлива при этом не загорается. Температура вспышки представляет собой показатель наличия в топливе легких фракций. От температуры вспышки зависит пожарная безопасность топлива при приемке, хранении и расходовании его на судне. Температура вспышки должна быть не ниже 61⁰С.

Испаряемость тяжелых топлив хуже, чем легких. Температура вспышки у них выше, поэтому в связи с необходимостью их обязательного подогрева, должны быть приняты меры пожарной безопасности. Например, температура вспышки топочных мазутов составляет 80⁰ – 90⁰С. Температура подогрева топлива должна быть ниже температуры вспышки не менее чем на 10⁰С. В закрытых топливных системах допустим подогрев топлива до температуры превышающей температуру вспышки.

Содержание серы – один из отрицательных показателей качества топлива. При сгорании топлива содержащаяся в нем сера окисляется до сернистого SO₂ и серного SO₃ ангидрида, которые входят в контакт с влагой продуктов сгорания и образуют сернистую и серную кислоты. Попадание этих кислот на поверхности нагрева и другие конструкционные элементы, вызывает сильную коррозию этих элементов.

Наибольшим содержанием серы отличаются мазуты. Мазуты различают по содержанию серы в %:

Малосернистые не более 0,5

Среднесернистые до 2

Высокосернистые более 3,5

Содержание серы для судовых котлов не должно превышать 3,5%.

Помимо серы на качество топлива отрицательно влияют содержание влаги, механических примесей, натрия и ванадия. Влага и механические примеси ухудшают процесс горения. Кроме того, механические примеси приводят к интенсивному износу элементов топочных устройств. Натрий и ванадий даже в незначительных количествах вызывают интенсивную коррозию поверхностей нагрева. Для снижения ряда отрицательных свойств топлив применяют различные топливные присадки.