книги из ГПНТБ / Эксплуатационные свойства и применение горючего, смазочных материалов и специальных жидкостей учебное пособие

Г л а в а 14. Ж И Д К И Е К О Т Е Л Ь Н Ы Е Т О П Л И В А

ОСОБЕННОСТИ ТОПОЧНОГО ПРОЦЕССА И ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ МАЗУТОВ

Сорта котельных топлив. Для паросиловых установок исполь­ зуется жидкое котельное топливо (мазут), представляющее собой остаточные продукты переработки нефти. Для этой же цели могут использоваться жидкие продукты полукоксования каменных углей и горючих сланцев. По объему производства мазуты занимают пер­ вое место среди других видов топлив, получаемых из нефти.

Широкому распространению мазутов как энергетического сы­ рья способствуют их преимущества в сравнении с твердыми топ­ ливами:

— высокая теплота сгорания и большие скорости горения, по­ зволяющие сжигать топливо при высоком напряжении топочного

Применение жидкого котельного топлива на кораблях ВМФ и морских судах позволяет увеличить дальность и продолжитель­ ность их плавания, повысить маневренность судов за счет более высокого теплового режима котлов, осуществлять более быструю загрузку топливных цистерн и рационально использовать производ­ ственный объем корабля, механизировать топочный процесс, уско­ рять разводку и остановку котлов.

В топках паровых котлов и промышленных печей сгорание про­ исходит в факеле распыленного топлива. В топочную камеру не­ прерывно подается топливо и воздух.

При сжигании мазутов скорость горения лимитируется скоро­ стью процессов испарения деструктивных превращений жидкого топлива, а также смешением образующихся газов и паров с воз­ духом.

Для улучшения качества распыливания и повышения скорости горения топливо подогревается в промежуточных емкостях. Тем­

вают мазут, возможно образование смолистых отложений, а на форсунках, стенках топок котла отлагаются нагар и зола.

Во время работы и остановок может происходить коррозия топ­ ливной аппаратуры и металлических деталей топок котла под дей­ ствием коррозионно-агрессивных веществ, как содержащихся в топливе, так и образующихся в процессе сгорания.

Котельное топливо должно удовлетворять следующим требо­ ваниям:

— иметь достаточную прокачиваемость, обеспечивающую на­

230

дежную подачу к форсункам коглов, а также слив-налив на скла­ дах в процессе заправки кораблей;

—иметь высокую теплоту сгорания;

—иметь небольшую склонность к образованию смолистых от­

ложений, нагаров и золы;

—обладать незначительной коррозионностью;

—не содержать большого количества механических примесей

иводы.

Сучетом этих требований вырабатываются мазуты флотские,

нистых нефтей (60—70% мазута и 30—40% газойлевых фракций).

Ф - 12 представляет собой смесь продуктов переработки малосер­ нистых нефтей. В его состав входит 60—70% мазута прямой пере­ гонки, 10—20% газойлевых фракций или черного солярового мас­ ла и 20—30% крекинг-остатка.

Указанные соотношения компонентов могут изменяться в за­ висимости от конкретных требований потребителя к качеству гото­ вого продукта и свойств исходных компонентов.

Для стационарных котельных установок и промышленных пе­ чей нефтяной промышленностью выпускаются топочные мазуты: М-40, М-100, М-200, топливо МП, масло сланцевое и мазут уголь­ ный. Топочные мазуты представляют собой тяжелые крекинг-остат­ ки или смеси их с мазутами прямой перегонки. Масло сланцевое получается при переработке горючих сланцев. Мазут угольный представляет собой остаток при перегонке смол полукоксования каменных углей.

Топочный мазут М-40 применяется для паротурбинных устано­ вок торгового флота. Остальные используются для стационарных котельных установок и промышленных печей.

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МАЗУТОВ

Прокачиваемость. Прокачиваемость характеризуется вязкостью и температурой застывания. В я з к о с т ь является важнейшим по­ казателем качества мазута, определяющим условия его хранения, транспортировки и применения. Поэтому ее численное значение принято для маркировки: цифры 5, 12, 40, 100 и 200 соответствуют градусам условной вязкости при 50° С или нижнему пределу вяз­ кости в сантистоксах при 80° С.

От величины вязкости зависит время слива мазута из железно­ дорожных цистерн, а также степень его распыливания. Высокая вязкость ухудшает распыливание, вызывает неполноту сгорания и дымление. При высокой вязкости приходится усиливать его по­ догрев в расходной емкости, что увеличивает пожарную опасность.

231

Вязкость и вязкостно-температурные свойства мазутов зависят от их состава и прежде всего от содержания высокоплавких алка­ нов и смолистых веществ. Мазуты, полученные различными спо­ собами и имеющие близкую величину вязкости при 50° С, при по­ нижении температуры по-разному изменяют свою вязкость

(рис. 63).

Рис. 63. Вязкостно-температурные кривые мазутов:

/ —флотский мазут Ф-12 прямой перегонки; сернистый крекингмазут Ф-12; 3 и 4—Флотский мазут Ф-5 прямой перегонки; 5—сер­ нистый крекинг-мазут, ВУ50=20; 6—сернистый мазут М-40 прямой пе­ регонки.

Мазуты прямой перегонки из малосернистых и беспарафинистых нефтей имеют довольно пологую вязкостно-температурную кривую при отрицательных температурах (кривая 1). Эти мазуты, имея сравнительно низкую температуру застывания, не создают особых затруднений при транспортировке и перекачке в условиях отрицательных температур. Вязкость крекинг-мазутов малосерни­ стых нефтей при понижении температуры увеличивается более резко, но и они сохраняют свою подвижность в области темпера­ тур, близких к температуре застывания.

Мазуты из сернистых нефтей, особенно содержащие большое количество крекинг-остатков, имеют более крутую Еязкостно-тем- пературную кривую: они теряют свою подвижность при более вы­ соких температурах, чем температура застывания. При обводнении

232

мазутов (содержание воды 5% н более) вязкость заметно увеличи­ вается, особенно при температурах ниже минус 30° С.

Температура застывания совместно с вязкостью характеризует возможность слива и перекачки мазута: она зависит от химической природы сырья, глубины отбора легких фракций и способа полу­

приобретать температуру забортной воды. Для обеспечения пода­ чи по системам топливопитания в этих условиях необходимо, что­ бы температура застывания его была ниже температуры заборт­ ной воды. Поэтому для флотских мазутов температура застывания должна быть не выше минус 5° С для Ф-5 и минус 8° С для Ф-12.

Для слива, налива и перекачки мазутов их подогревают. Теплота сгорания. На топливе с высокой теплотой сгорания при

одной и той же весовой заправке кораблей и судов обеспечивается большая дальность плавания и продолжительность работы котель­ ной установки.

При учете теплоты сгорания в эксплуатационных условиях для мазутов введено понятие теплоты сгорания рабочей, сухой и горю­ чей массы топлива.

Для мазутов, содержащих значительное количество воды и не­ горючих примесей, эти величины могут значительно отличаться. Например, теплота сгорания рабочей массы мазута Ф-12 равна 9650 ккал/кг, сухой — 9930 ккал/кг, а горючей еще выше. Высокая теплота сгорания мазутов объясняется большим содержанием во­ дорода и углерода и малой зольностью.

В связи с углублением процессов переработки и использованием сернистого сырья элементарный состав мазутов меняется в сторо­ ну увеличения содержания углерода и серы и снижения водорода. Теплота сгорания таких мазутов на 2—3,5% ниже теплоты сгора­

Содержание водорода определяют исходя из плотности по фор­ муле

Н = 26—15р15.

Для сравнения топлив по теплоте сгорания при решении воп­ роса о замене одного сорта другим, установления норм расхода

233

Склонность мазутов к отложениям. При использовании котель­ ных топлив в мазутопроводах и топках образуются различного ро­ да отложения: смолистые сгустки в системе питания, кокс на фор­ сунках и стенках топок котлов, отложения золы. Характер и коли­ чество этих отложений зависят в основном от содержания смоли­ стых и золообразующих веществ в топливе, а также теплового ре­ жима топок.

Смолистые вещества обладают большой вязкостью и липкостью. При смешении с водой и механическими примесями образуют ком­ ки и сгустки, которые засоряют топливопроводы и забивают топ­ ливные фильтры. Нагрев топлив в форсунках ведет к разложению смолистых веществ, образованию нагара и других углистых отло­ жений, которые вызывают закоксование сопел форсунок и нару­ шение подачи топлива. В силу большой вязкости смолистые соеди­ нения ухудшают способность мазута к распыливанию. В результа­ те этого при распыливании образуются крупные капли топлива, что ведет к неполному сгоранию. Поэтому содержание смоли­ стых веществ в котельных топливах ограничивается и для флотских мазутов не должно превышать 50%.

Крекинг-мазуты отличаются повышенным содержанием смоли­ стых веществ в сравнении с мазутами прямой перегонки. Общее содержание смолистых веществ в котельных топливах достаточно точно характеризуется их коксуемостью.

Топлива с высоким содержанием смолистых веществ нестабиль­ ны при хранении. В процессе хранения в них образуются осадки, содержащие помимо смол механические примеси, воду, а также высокоплавкие углеводороды (парафин и церезин). Эти осадки отлагаются на днищах резервуаров, стенках трубопроводов, в змее­ виках подогрева, полостях насосов, засоряя их.

Осадки могут выпадать и при разбавлении тяжелых остаточ­ ных топлив легкими продуктами. Выпадение осадков в результате смешения топлив называют несовместимостью. Это свойство необ­ ходимо учитывать при пополнении запасов жидкого котельного топлива в различных портах.

Уменьшение образования смолистых отложений и нагара в топ­ ках и на стенках паровых котлов достигается введением до 0,2% в топливо антинагарных присадок. Эти присадки, представляющие собой фракции двузамещенных гомологов нафталина (ВНИИ НГ1-102), а также их смеси с небольшим количеством алкилдитиофосфата или фенолята бария и нафтената меди, значительно сни­ жают образование отложений в топках котлов и повышают пол­ ноту сгорания мазутов.

Следующим источником образования отложений в паросиловых установках является зола. Источником образования золы являет­ ся присутствие в мазутах солей минеральных и органических кис­ лот, а также механических примесей. Особенно интенсивно обра­

234

зуются зольные отложения при изменении теплового режима топок котлов. В тех зонах, где температура в топке котла ниже темпера­ туры плавления золы, зола сплавляется в прочную и твердую мас­ су, которую трудно удалять с поверхностей котлов при их чистке. При сжигании сернистых мазутов отложения образуются быстрее й в больших количествах, чем при сжигании малосернистых, и об­ ладают большей липкостью и прочностью. Зольные отложения ве­ дут к нарушению теплопередачи от стенок котла к воде, снижению к. п. д. котельной установки, а также вызывают высокие термиче­ ские напряжения в металле трубок и стенок котла. Чем больше зо­ лообразующих веществ в котельном топливе, тем чаще наблюда­ ются нарушения в работе котельных установок. Поэтому зольность флотских мазутов не должна превышать 0,1% и топочных

0,15—0,3%.

Коррозионность. Коррозионность мазутов в основном опреде­ ляется содержанием в нем сернистых соединений и ванадия. Актив­ ные сернистые соединения разрушают топливные цистерны, тру­ бопроводы и топливную аппаратуру. Продукты сгорания серы — серный и сернистый ангидрид — в горячих областях топочного про­ странства не вызывают коррозии, но по мере охлаждения начи­ нается конденсация паров воды с образованием кислот.

Более всего кислотной коррозии подвержены поверхности воз­ духоподогревателей и экономайзеров. Содержание серы в котель­ ном топливе ограничивается и не должно превышать во флотском мазуте Ф-5 2%, в Ф-12 — 0,8%, в мазутах топочных малосерни­ стых— 0,5%, сернистых — 2% и высокосернистых — 3,5%.

Ванадиевой коррозии подвержены металлические поверхности деталей топок и котлов, имеющих высокую температуру. Процессы коррозии соединениями ванадия в котельных установках протека­ ют так же, как и в воздушно-реактивных двигателях. Содержание ванадия в котельных топливах не нормируется, однако может на­ ходиться в пределах 0,003—0,02%

Содержание воды. Наиболее часто обводнение мазутов проис­ ходит во время транспортировки танкерами и разогрева острым паром для слива из цистерн при низких температурах.

Вода в мазутах ухудшает их качество: снижается теплота сго­ рания, повышается вязкость при низких температурах, нарушает­ ся режим горения. Особенно вредное влияние воды проявляется при неравномерном ее распределении. Равномерное распределение воды по всей массе мазута даже при содержании ее до 10% не приводит к существенному нарушению прокачиваемости и процес­ са сжигания мазута. Но если вода находится в мазуте очагами, распределена неравномерно, то эго вызывает расстройство топоч­ ного процесса, срыв пламени, затухание форсунок, а иногда и взрыв в топке.

Вода ускоряет образование осадков на днищах резервуаров и цистерн. Обводненные мазуты, особенно сернистые, усиливают

235

коррозию оборудования мазутного хозяйства и концевых поверх­ ностей нагрева котельной установки дымовыми газами.

Содержание воды в маловязких мазутах можно понизить до 1— 2% путем отстоя в течение 0,5—1 суток при температуре 60—70° С. При вязкости мазута выше 80° ВУ отстаивание воды происходит плохо даже при сильном подогреве. Причем при подогреве свыше 100° С возможно бурное вскипание воды, приводящее к разрывам промежуточных емкостей, а также образованию устойчивой эмуль­ сии. Такие мазуты трудно обезводить. Особенно стойкая эмульсия образуется при обводнении сернистых мазутов, например, в мо­ мент их разогрева острым паром перед сливом из цистерны. Стой­ кость водомазутных эмульсий обусловлена эмульгирующим дейст­ вием сернистых соединений, смол и нафтеновых кислот. Особенно' плохо отделяется вода от высоковязких топочных мазутов. Наибо­ лее рациональным способом разрушения водных эмульсий в мазу­ тах является добавление к ним деэмульгаторов.

и форсунок и выводят их из строя. Поэтому присутствие механиче­ ских примесей в мазутах ограничивают. Удаление их производят фильтрованием мазута через фильтры предварительной очистки с крупной металлической сеткой, а затем через сетки с мелкими от­

236

Г л а в а 15. ГОРЮЧЕЕ ДЛЯ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Т О П Л И В Н Ы Е Э Л Е М Е Н Т Ы

Характеристика топливных элементов. Топливными элементами называют электрохимические источники тока, производящие элект­ роэнергию при непрерывном расходовании реагентов — горючего и окислителя. В этих устройствах химическая энергия непосред­ ственно, минуя промежуточные стадии, превращается в электри­ ческую.

Топливные элементы по сравнению с различными тепловыми двигателями имеют ряд преимуществ, главные из которых заклю­ чаются в высокой экономичности, сниженном уровне шумоизлуче­ ния, высокой надежности и возможности удаления продуктов ре­ акции в жидкой фазе. В топливном элементе отпадают ограниче­

стей, следовательно, отпадает необходимость в моторных маслах. Потери, свойственные рабочему процессу топливного элемента, проявляются в виде тепловыделений, однако они могут быть све­ дены до минимума. Это затрудняет обнаружение с помощью ин­ фракрасной техники военных объектов, имеющих силовые агре­ гаты на базе топливных элементов.

Бесшумность, отсутствие вредных дымов и возможность исполь­ зования отработавших продуктов реакции также имеет немало­ важное военное и техническое значение. Топливные элементы рас­ ходуют горючее и окислитель только при съеме мощности; одно­ временно с генерацией электроэнергии они могут осуществлять процессы химического синтеза. Водородно-кислородные элементы, используемые в космических кораблях, обладают, кроме перечис­ ленных, и таким преимуществом, как возможность утилизации про­ дуктов реакции: во время работы элемента получают воду, годную для питья.

Современные топливные элементы имеют и ряд недостатков, так как для углеводородов, являющихся идеальным горючим, еще не разработаны промышленно доступные катализаторы, способные активизировать этот вид топлива при низких температурах. В свя­ зи с этим в топливных элементах применяют дорогие виды горю­ чего и при их изготовлении используют дефицитные материалы.

Особенности процессов в топливных элементах. Особенности процесса в топливных элементах определяются типом элемента и видом применяемого горючего. Тип элементов характеризуется температурным режимом работы. Соответственно различают высо­ котемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные элементы.

К первому типу относят элементы, использующие в качестве электролита расплавленные соли при температуре 600—650° С; ко

238

второму — водородно-кислородные элементы, работающие при температуре кипения водного раствора электролита.

Классификация топливных элементов по агрегатному состоя­ нию или типу горючего является наиболее целесообразной, так как конструкция элемента и технология его изготовления определяется главным образом видом горючего, однако до настоящего времени такая классификация не разработана.

общего с термодинамикой химических реакций гальванических элементов (см. главу «Коррозионность»), На поверхностях элект­ родов топливного элемента, погруженных в электролит, возникают потенциалы, образующие потенциал элемента, или его э. д. с. Электродвижущая сила элемента может быть обусловлена раз­ ностью концентраций веществ или результирующей химической реакцией. В соответствии с этим различают концентрационные и химические элементы. Практически используется последний вид.

В топливных элементах могут быть использованы электроды различного типа: металлические; металлические, покрытые слоем нерастворимых солей или окислов, и газовые диффузионные. Пер­ вый тип представляет собой металлические электроды, находящие­ ся в контакте с раствором электролита, содержащего ионы того ме­

239-