Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

1040 кг/м3. Высокая плотность, соразмеренная с плотностью загряз­ няющих их примесей, затрудняет очистку топлив в центробежных сепараторах.

Температура вспышки. Наинизшая температура, при которой нагреваемое топливо испаряется и образующиеся пары, перемеши­ ваясь с воздухом, создают смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени, есть температура вспышки. Она зависит от темпе-

70- 200и\- 200 *2000- 1500

г40 - 1500

-*0

-35

Рис. 7.2. Диаграмма вязкость — температура для нефтяных топлив

23!

ратуры кипения, испаряемости и упругости паров топлива и опре­ деляет его пожарную безопасность. Регистр СССР допускает ис­ пользование на судах топлив, температура вспышки которых в за­ крытом тигле не ниже 61 °С. Тяжелые остаточные топлива в отли­ чие от дизельного обладают худшей испаряемостью, поэтому их температура вспышки выше (обычно 75—85 °С).

Температура застывания. Вязкость при изменении температу­ ры зависит от качества сырой нефти, метода получения составляю­ щих топливо компонентов, содержания в них парафина и смолистых веществ и др. Вязкость и текучесть топлив, как и смазочных масел, может изменяться вследствие либо загустевания, либо застывания. Явления эти различны. При загустевании повышается вязкость некристаллизующихся углеводородов топлива. С понижением тем­ пературы вязкость нефтепродукта увеличивается тем сильнее, чем выше температурный коэффициент вязкости основной части углево­ дородов, входящих в состав топлива. Застывание же топлива явля­ ется результатом кристаллизации содержащихся в нем высокоплавких, главным образом парафиновых углеводородов. Они со­ здают кристаллический каркас (структуру), прекращающий или затрудняющий перемещение жидкой фазы. Опыты по измерению текучести котельных мазутов показали, что вязкость крекингмазута при понижении температуры увеличивается сильнее, чем парафинистого мазута. Застывание топлива представляет большую опасность, чем загустевание, поэтому в спецификациях на топлива обычно задается температура застывания, представляющая собой температуру, при которой топливо перестает течь, теряет подвиж­ ность вследствие кристаллизации парафиновых соединений. Тем­

вращения застывания топливо следует подогревать в танках запа­ са и на всем пути следования к двигателю или котлу по крайней мере на 10 °С выше /3аСт-

Содержание серы. В топливах содержание серы и ее соеди­ нений неуклонно растет. Это связано с истощением запасов мало­ сернистых нефтей и более глубокой переработкой нефти, в резуль­ тате которой в остаточных фракциях, идущих на приготовление топлив, концентрируются сера и ее высокомолекулярные органиче­ ские соединения тем в больших количествах, чем глубже процесс нефтепереработки и чем меньше остаток. В топливах содержатся элементарная сера, сероводород, высокомолекулярные органиче­ ские серы, а также низкомолекулярные соединения — меркаптаны сульфиды и дисульфиды. Особенно агрессивны в жидкой фазе мер­ каптаны, вызывающие коррозию топливной аппаратуры, трубо­ проводов и емкостей. Интенсивность коррозионных процессов уси­ ливается при попадании в топливо морской воды. Малая молеку­ лярная масса и низкая температура кипения меркаптанов обуслов­

232

ливают их преимущественное присутствие в дистиллятных фрак­ циях и малое содержание в тяжелых топливах. Этим объясняют­ ся меньшие износ и коррозия топливной аппаратуры при работе дизелей на тяжелых топливах по сравнению с работой на дизельном топливе.

Основу серосодержащих продуктов в тяжелых топливах состав­ ляет элементарная сера, которая при сгорании в цилиндрах при­ носит наибольший вред двигателю. При горении топлива сера окис­ ляется до сернистого ангидрида S 0 2, часть которого в ходе даль­ нейшего окисления переходит в S 0 3. Водяные пары, находящиеся в продуктах сгорания топлива, насыщаются серным ангидридом; последний, попадая на стенки цилиндра и охлаждаясь, может кон­ денсироваться на них. Температура конденсации зависит от ко­ личества серы в топливе и давления в цилиндре. Пары воды также конденсируются на стенках, что способствует образованию слабо­ го раствора серной кислоты, в среде которой наиболее активно протекают процессы электрохимической коррозии металла ци­ линдров и поршневых колец.

Для уменьшения вызываемого коррозией износа цилиндров рекомендуется поддерживать температуру их стенок на уровне,

Содержание кокса и асфальто-смолистых веществ. Коксовое число является характеристикой нагарообразующей способности топлив и масел, определяют его в аппарате Конрадсона по сухому остатку (кокса) в пробе при нагревании без доступа воздуха. Ди­ стиллятные топлива содержат относительно небольшие количества асфальтосмолистых веществ, их коксовое число не превышает 3 %. Тяжелые топлива и особенно топлива, получаемые из крекингпродуктов, содержат значительные количества ароматических и не­ предельных углеводородов и продуктов их окисления — смол и ас­ фальтенов. В силу этого обстоятельства коксовое число тяжелых топлив достигает 1 0 — 1 2 % и ожидается, что в недалеком будущем оно возрастет до 18—20 %.

Входящие в состав остаточных топлив асфальтосмолистые ве­ щества представляют собой высокомолекулярные соединения с боль­ шим отношением С/Н. К их числу в первую очередь относятся смолы, находящиеся в топливе в виде либо раствора, либо кол­ лоидной системы. Во время окисления при высоких температурах большая часть смол сгорает, а наиболее тяжелые переходят в полу­ твердые или твердые высокомолекулярные соединения — асфальтены. В топливе асфальтены содержатся в виде коллоидного раст­ вора. Они относятся к наиболее высокомолекулярным соединениям

233

нефти, их плотность 1160 кг/м3, молекулярная масса равна 2 0 0 0 , температура плавления составляет 200 °С. В процессе сгорания асфальтены переходят в еще более высокомолекулярные насыщенные

Топлива с большим содержанием кокса и асфальтенов обла­ дают высокой нагарообразующей способностью. Наличие в топли­ вах асфальтенов сопряжено с увеличением продолжительности их сгорания, что отрицательно сказывается на мощности, экономич­ ности двигателя и росте тепловых нагрузок. Рекомендуется, чтобы

так и другие вызывают абразивный износ деталей топливной ап­ паратуры и ЦПГ, поэтому механические примеси в дизельных топ­ ливах не допускаются, а в тяжелых топливах не должны превышать 0 , 1 —0 , 2 %, однако в действительности в бункерном топливе они могут быть в большем количестве. Важно ограничивать не только содержание механических примесей, но и размер их частиц таким образом, чтобы он по возможности не выходил за пределы коль­ цевого зазора в прецизионных элементах топливных насосов и фор­ сунок (4—7 мкм). Это обстоятельство следует учитывать при очи­ стке топлив в судовых системах топливоподготовки.

Содержание золы. Зола представляет собой сухой остаток, об­ разующийся при сгорании топлива. Она состоит из минеральных примесей и солей, попадающих в топливо в процессе добычи, пере­ работки и транспортирования. С утяжелением фракционного со­ става зольность увеличивается и в котельных мазутах может до­ стигать 0,2 %. Большую часть зольных элементов удаляют при отстаивании и сепарации топлива. Если при сепарации топливо промывают горячей водой, то удается избавиться от водораство­ римых составляющих золы (солей Na, К, Са). Меньшую, практиче­ ски неудаляемую группу составляют различные соединения ме­ таллов, находящиеся в растворенном или коллоидном состоянии (соединения кремния, окиси железа) и вызывающие абразивный износ прецизионных элементов топливной аппаратуры, сопловых отверстий форсунок, цилиндров.

Присутствующие в золе тяжелых топлив некоторых сортов со­ единения ванадия V20 5 и натрия Na2S 0 4 являются наиболее агрес­ сивными составляющими; они приводят к коррозии деталей ЦПГ, турбонагнетателей, выпускных клапанов, поверхностей труб и кот­ лов. Содержание золы в топливах находится на уровне 0,04— 0 , 1 %, однако в тяжелых топливах оно может достигать 0 ,1 2 —0 , 2 %.

Содержание алюминия. Процесс каталитического крекинга неф­ тяных остатков, служащий для дополнительного извлечения топлив,

234

широко распространен. В этом процессе в качестве катализаторов используют соединения алюминия и кремния А120 3 и Si0 2, по* падающие в небольших количествах в крекинг-остатки при изготов­ лении тяжелых топлив. Присутствие катализаторной мелочи в топливах в малых количествах не представляет серьезной опасности для двигателей. Однако технология процесса каталитического кре­ кинга такова, что нё исключена возможность прорыва катализа­ тора в остаточный продукт, применяемый при изготовлении тяже­ лых топлив. К сожалению, подобные случаи происходят, и на суда поступают топлива с высоким содержанием алюмосиликатов.

Размер гранул катализатора 40— 100 (160) мкм, но в топливо попадает катализаторная мелочь, основная масса которой состоит из частиц размером 10 мкм и менее. Благодаря пористому характеру (удельная поверхность 250—400 м2/г) плотность частиц неве­ лика и соразмерна с плотностью топлива, что затрудняет их удале­ ние из топлива путем отстаивания или центробежной сепарации. Катализаторная пыль обладает абразивными свойствами, поэтому ее попадание с топливом в двигатель вызывает катастрофические износы топливной аппаратуры, цилиндров, поршней и поршневых колец. Скорость изнашивания увеличивается в 100 раз и более. Избежать столь опасных для двигателя явлений можно лишь пу­ тем исключения использования топлив с высоким содержанием ка­ тал изаторной пыли. Это потребовало контроля за ее присутствием в топливах. В качестве индикатора используют содержание в топ­ ливе алюминия, которое не должно превышать 30 млн^ 1 (°/оо).

Содержание ванадия. Ванадий в топливе находится в виде раст­ воримых соединений, поэтому освободиться от него с помощью тра­ диционных методов топливообработки на судне невозможно. Об­ разующиеся при сгорании топлива соединения ванадия совместно с соединениями натрия вызывают высокотемпературную коррозию

кислоты, являющейся электролитом в электрохимической корро­ зии ЦПГ. Учитывая изложенное, двигателестроительные фирмы вводят ограничения на содержание в топливах ванадия и натрия. Особенно жесткие требования к содержанию ванадия предъяв­ ляются к топливам для четырехтактных дизелей, так как их вы­ пускные клапаны особенно чувствительны к Na—V-коррозии. До недавнего времени ограничения по содержанию ванадия определя­ лись 100—200 млн” 1 для четырехтактных двигателей и 300 млн- 1 — для двухтактных малооборотных. В новых спецификациях на топлива предусмотрена возможность увеличения содержания в них ванадия до 400—500 млн-*1, что потребует разработки более эф-

235

фективных мер борьбы с Na—V-коррозией, в частности приме­ нения высокоэффективных присадок к топливам.

Содержание воды. Государственными стандартами и зару­ бежными спецификациями на топлива содержание воды в ди­ зельных топливах не допускается либо не должно превышать 0,25%. В тяжелых топливах содержание воды не должно пре­

щемся на судне, фактическое содержание воды обычно превы­ шает его паспортное значение. Объясняется это дальнейшим об­ воднением топлива в процессе бункеровки и хранения на судне* Вода в топливо попадает вследствие конденсации влаги на стенках цистерн, протечек в паровых обогревательных змееви­ ках, через вентиляционные и измерительные трубы. Отстаива­ ние топлива способствует сокращению содержания в нем воды, но эффективность отстаивания непостоянная и зависит от многих факторов: времени отстаивания, вязкости и плотности топлива, температуры, размера частиц воды, конфигурации танка, дви­ жения судна (качка). Наличие воды в топливе (в виде простой взвеси или эмульсии) усиливает коррозионную активность топ­

лива, особенно если оно содержит серу и ее соединения. Теплота сгорания. Количество теплоты, которая выделяется

при полном сгорании 1 кг или 1 м3 топлива, называется теплотой сгорания. В Международной системе единиц за единицу количество теплоты принят джоуль, поэтому теплота сгорания выражается в единицах Дж/кг или кДж/кг. Ранее было принято теплоту сгора­ ния выражать в единице ккал/кг. Напомним, что 1 ккал = = 4,187 кДж. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При определении низшей теплоты сгорания QH, как известно, не учи­ тывается теплота, возвращаемая при конденсации влаги топлива и влаги, полученной при сжигании водорода топлива. Этим объяс­ няется, что в практических расчетах используется QH*

Если известен элементарный состав топлива, его теплота сгора­ ния может быть подсчитана по известной формуле Д. И. Менде­ леева

где W — содержание воды в топливе, %.

Более удобной для практических целей является эмпирическая формула

QR = <46.7— 8 ,8 -Ю -* p f B4 -3 .17 -10~ *р1в) [ 1 — ( x + y + S ) l +

236

Способность к самовоспламенению. Способность топлива к само­ воспламенению является важнейшим показателем, определяющим развитие процесса подготовки топлива к сгоранию и оказывающим определенное влияние на последующее сгорание, а значит, и на экономичность двигателя, уровень тепловых и механических на­ пряжений в деталях ЦПГ.

Процессы образования горючей смеси (распад струи топлива на капли, образование факела, его проникновение в глубь заряда воздуха, подогрев капель, их испарение и смешивание паров с воздухом), а также процессы химической подготовки смеси к вос­ пламенению, обусловленные протеканием предпламенных реакций при слабом повышении давления и образовании холодного пламе­ ни, занимают определенное время. Этот промежуток времени, от­

того воздуха и продуктов сгорания), относительной скорости пере­ мещения в камере сгорания частиц топлива и воздуха, размера частиц распыливаемого топлива, концентрации кислорода в сжатом воздухе, испаряемости и химического группового состава топлива. Последние два фактора определяют связь между качеством топлива и ф3. Ухудшение испаряемости топлива, обусловленное утяжеле­ нием входящих в него фракций, требует увеличения времени на

237

239

прогрев и испарение топлива, что, естественно, увеличивает про­ должительность периода задержки самовоспламенения. Химичесский групповой состав топлив определяется соотношением меж­ ду входящими в них углеводородными соединениями типа пара­ финов (СпН2п+2), нафтенов (СПН 2П) и ароматиков (СцН2п_6). Топлива, в которых преобладают парафиновые соединения, имеют наименьший период задержки воспламенения. Ароматические со­ единения, обладающие наиболее прочными связями между атомами углерода, наиболее стойки к окислению, поэтому топлива с высоким содержанием асфальтосмолистых соединений, основу которых со­ ставляют ароматики, имеют наибольшие значения ф3. Нафтеновые углеводороды по склонности к самовоспламенению занимают про­ межуточное положение.

Установлено, что продолжительность периода задержки само­ воспламенения при прочих равных условиях является прямой функ­ цией цетанового числа (ЦЧ) топлива. Чем больше ЦЧ, тем меньше времени требуется на подготовительные химические реакции окис­ ления, тем короче период задержки самовоспламенения. Таким об­ разом ЦЧ является характеристикой способности топлива к само­ воспламенению, определяющей при прочих равных условиях про­ должительность периода индукции.

Дизельные топлива имеют ЦЧ = 45 55 ед. Тяжелые остаточ­ ные топлива, как правило, характеризуются меньшими значениями (ЦЧ ^ 30 -h 35 ед.), поэтому требуют большего времени для под­ готовки к сгоранию. Цетановое число и заменяющий его дизель­ ный индекс (ДИ) могут быть определены лишь для дистиллятных ит с известной погрешностью, для маловязких тяжелых топлив, по­ этому в паспортах на тяжелые топлива эти показатели отсутство­ вали. Воспламеняемость тяжелых топлив, относящихся к класси­

их самовоспламеняемости не создавало критических ситуаций. Множество остаточных топлив, получаемых из продуктов вторич­ ной переработки нефти и содержащих в больших количествах ас­ фальтосмолистые соединения и ароматики, потребовало поиска бо­ лее надежного и доступного метода оценки самовоспламеняемости.

Ранее отмечалось, что самовоспламеняемость является функцией химического группового состава топлива. Так, увеличение со­ держания в топливе парафиновых углеводородов и сокращение аэроматических приводит к улучшению его способности к самовоспла­ менению, и наоборот, рост в топливе ароматической составляющей обусловливает ухудшение его способности к самовоспламенению. Учитывая изложенное, а также основываясь на наличии прямых связей между содержанием ароматических углеводородов в топливе и его плотностью, содержанием парафиновых углеводородов и вяз-

240