Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

влять по схеме: два параллельно работающих и настроенных на пурификацию сепаратора. Такая

работа позволяет каждый сепаратор использовать на меньшую

чаемых компаундированием остатков каталитического крекинга и висбрейкинга с керосино-газойлевыми фракциями, потребовалось

менее качественно очистить его от катализаторной пыли, попа­

и глобул воды рекомендуется сепарированное топливо дополни­ тельно подвергать гидродинамической обработке в гомогениза­

ствием кавитационных сил все твердые и жидкие включения дро­ бятся до диаметра d ^ 5 4 -1 5 мкм, что позволяет уменьшить изна­ шивание топливовпрыскивающей аппаратуры и ЦПГ двигателя, обеспечить более полное и быстрое сгорание тяжелых асфальтосмо­ листых соединений.

261

Фильтрование. Принцип действия фильтров основан на отде­ лении от нефтепродукта загрязняющих примесей при его пропуска­ нии через фильтрующую перегородку, размеры ячеек которой мень­ ше размеров отфильтровываемых частичек. Наибольший размер частиц загрязнений, пропускаемых фильтром, определяет тонкость отсева. По этому показателю имеется три группы фильтров:

предварительной очистки топлива для предохранения топливной системы от попадания случайных крупных загрязнений (фильтры перед топливоперекачивающими насосами);

грубой очистки для удаления из топлива частиц размером бо­ лее 40 мкм;

тонкой очистки для очистки топлива от загрязняющих примесей размерами более 6— 15 мкм, а при применении бумажных элемен­ тов — более 4—5 мкм.

Фильтры характеризуются также коэффициентом очистки и сте­ пенью фильтрации, которая представляет собой отношение массы удаленных фильтром примесей к ее первоначальному значению: &Ф = (G0 — GOCT)/G0 (где GQCT — масса примесей, оставшихся в прошедшем фильтрацию продукте).

На судах применяют фильтры и самоочищающиеся фильтрацион­ ные установки. В зависимости от принципа действия фильтрующие элементы могут быть поверхностными либо объемными (емкост­ ными).

В поверхностном фильтре топливо очищается путем осаждения примесей на поверхности элементов, кромках ячеек или щелей. В качестве фильтрующего материала используют сетку, листовую бумагу (фильтры ТФ), ткань либо фильтрующий элемент образует­ ся пластинками, витками проволоки, лент (щелевые фильтры).

В объемном фильтре нефтепродукт пропускается через фильтрую­ щий материал, содержащий множество каналов и пор, в которых и откладываются загрязняющие примеси. Для изготовления объемных элементов используют фетр, древесноволокнистые мате­ риалы, металлокерамику, пористую бронзу. Объемные фильтры в отличие от поверхностных способны удерживать большие коли­ чества грязи, имеют более высокий коэффициент фильтрации и не способны к внезапному засорению.

Малый срок службы фильтрующих элементов как поверхност­ ного, так и объемного типов из-за интенсивного забивания асфаль­ тосмолистыми соединениями при фильтрации тяжелых топлив, не­ возможность отделения воды, необходимость в ручной очистке послужили серьезным препятствием к использованию подобных фильтров на современных судах. На смену им пришли самоочищаю­ щиеся фильтрационные установки, имеющие по сравнению с сепа­ раторами существенные достоинства: малые энерго- и трудозатраты на обслуживание, возможность автоматизации; простота конструк­ ции, более высокая надежность в работе; независимость процесса

262

очистки от разности плотностей топлива и удаляемых из него ча­ стиц механических примесей; меньшие потери горючей массы.

В некоторых конструкциях фильтрационных установок пред­ принята попытка отделения от топлива воды благодаря водооттал­ кивающей пропитке фильтрующих материалов. Однако опыт пока­ зал, что по мере загрязнения водоотталкивающая способность фильтра ухудшается. На судах распространены фильтрационные установки с постоянными фильтрующими элементами поверхност­ ного типа (сетчатые, щелевые) с периодической автоматической самоочисткой методом противотока.

7.6. Химическая обработка топлив (присадки)

Общие сведения. Расширяющееся применение на судах дешевых тяжелых топлив с их низкой стабильностью при хранении, склон­ ностью к отложениям, нагарообразованию, ухудшенной способностью к сгоранию и высокой коррозионной активностью привело к необ­ ходимости прибегать к созданию таких присадок к топливам, кото­ рые помогли бы решить проблемы: хранения и обработки топлив; сгорания топлив; борьбы с нагарами и высокотемпературной кор­ розией, а также с низкотемпературной сернистой коррозией.

Присадки, улучшающие хранение, обработку и сгорание топлив.

Тяжелым высоковязким топливам присуща склонность к образо­ ванию отложений в танках запаса, фильтрах, подогревателях и других элементах топливной системы, в том числе сепараторах. Причина заключается в наличии в топливах тяжелых углеводоро­ дов (смол, асфальтенов). Обладая повышенной поверхностной ак­ тивностью, тяжелые углеводороды группируются вокруг загряз­ няющих топливо примесей, глобул воды, образуя сложные струк­ туры, размеры которых увеличиваются, и они выпадают в осадок

ввиде шлама на днище танка или осаждаются на поверхностях топ­ ливной системы.

Один из путей борьбы с шламообразованием и отложениями в подсистемах хранения и переработки топлива состоит во введении

втоплива химических присадок, содержащих мощные диспергаторы. Поверхностная активность последних существенно превышает по­ верхностную активность содержащихся в топливе асфальтосмоли­

садок притягивают к себе смолы, обволакивающие структурные си­ стемы тяжелых углеводородов, и частично замещают их. Ослабление вследствие этого поверхностного натяжения тяжелых углеводородов, а также расклинивающее действие введенных с присадкой диспергаторов приводит к разрыву этих структурных систем, их диспер­ гированию и благодаря этому к предотвращению шламообразования. В роли ПАВ-диспергаторов обычно используют растворимые

263

в топливе органометаллические соединения, вводимые в хорошо за­ рекомендовавшие себя присадки Vecom FOT-NW, Bunkersol—D, Perolin 622-DE и др. Неплохие результаты показала опытная присадка ЛЗ-ЦНИИМФ-6. Важное свойство поверхностно-активных веществ присадок состоит также в защите металлических поверх­ ностей от коррозии, ржавления и образования на горячих поверх­ ностях лаковых пленок.

Вводимые в топлива присадки-диспергаторы не только способ­ ствуют борьбе с шламообразованием, но, измельчая структуру на­ ходящихся в топливе тяжелых углеводородов, способствуют более полному их сгоранию в цилиндрах. Происходящее при наличии присадок замещение откладывающихся на нагретых поверхностях смол изолирует, в частности, поверхности прецизионных элемен­ тов от них и тем самым препятствует лакообразованию, часто при­ водящему к зависанию игл форсунок и плунжерных пар ТНВД.

Эффективность сгорания повышается при введении в присадки веществ, которые помогают разрыву химических связей углеводо­ родов, облегчающих и ускоряющих реакцию окисления. Катали­ тическое действие присадок сказывается на снижении уровня тем­ ператур, при которых могут сгорать частицы углеводородов, со­ кращении периода задержки воспламенения, устранении позднего сгорания топлива. Кроме того, присадки мешают образованию сво­ бодного углерода, тем самым обеспечивая более полное сгорание топлива и уменьшая отложения кокса в нагарах. Подобным дейст­ вием обладают присадки Amergize фирмы «Drew Ameroid», «Perolin», 683-DF, 687-SD, Gamlen FOT и др. Эти присадки рекомендуется вводить в топливо непосредственно перед двигателем — в любой точке участка от расходной цистерны до ТНВД двигателя. Дози­

Присадки, снижающие высокотемпературную коррозию. Пробле­ ма высокотемпературной коррозии, вызываемой продуктами сгора­ ния топлива, наиболее тесно связана с работоспособностью вы­ пускных клапанов дизеля и рабочего аппарата газовой турбины. Срок службы выпускного клапана до переборки в современных дви­ гателях составляет 2000—8000 ч, что в 2—3 раза меньше ресурса даже такого нагруженного элемента, как поршневое кольцо. Ос­ новная причина прогорания клапанов заключается в их высоко­ температурной коррозии под воздействием золы топлива.

Главными коррозионными и абразивными составляющими золы, образующейся в цилиндрах дизеля при сгорании тяжелых топлив, являются пятиокись ванадия, сульфат натрия и некоторые другие сложные соединения. Относительно низкая температура плавления большинства соединений определяет их коррозионную агрессив­ ность, так как установлено, что они наиболее активны по отноше­ нию к металлам именно в жидком состоянии. Однако это не исклю­ чает возможности коррозии и в газовой фазе. Помимо ванадия в топ­

264

ливе содержатся сера и натрий в виде NaCl; последнее соединение имеется также в капельках морской воды, в засасываемом двигателем воздухе и в больших количествах может попадать в топливо при его обводнении. В топливо также заносится сульфат натрия Na2S04. Еще в больших количествах сульфат натрия с / Пл = 885 °С образуется в результате реакции сгорания топлива при взаимо­ действии NaCl, S 0 2, кислорода и паров воды. Эта же реакция вза­ имодействия NaCl и S 0 2 может происходить не только в цилиндрах двигателя, но и на лопатках газовых турбин, подвергающихся сульфидно-окисной коррозии. Температура плавления соединений ванадия при взаимодействии с соединениями натрия понижается. Наиболее низких значений она достигает при образовании ванадия-

этих соединений необходимо присутствие в топливе Na и V в соот­ ношении 1 : 3. Если отношение Na/V меньше, то соответственно меньше будет образовываться соединений Na и V, имеющих низкую температуру плавления, меньше будет интенсивность коррозии. Метод борьбы с ней заключается в уменьшении содержания в топ­ ливе натрия. В этих целях рекомендуется при сепарации топливо промывать горячей водой, подаваемой в струю топлива перед сепа­ ратором. Вода, смешиваясь с топливом, растворяет соединения на­ трия и в ходе сепарации удаляется из него.

Процесс коррозии (окисления) заключается в следующем. Обра­

(температура плавления последних всего 400 СС) вместе с продук­ тами сгорания движутся к выпускному клапану. Если температуры тарелки клапана и седла оказываются ниже температуры плавления этих соединений, то они минуют клапан и уходят из двигателя. Если же клапан и особенно его рабочая фаска и седло имеют высокую температуру (более 520 °С), то соединения при соприкосновении с ними плавятся и прилипают к ним. Находясь в жидком состоя­ нии, они вступают в реакцию с защищающими клапан и его седло окисными пленками, разрушают их и окисляют металл. Особенно активна пятиокись ванадия V20 5.

Образующиеся на рабочем поле клапана рыхлые окисные струк­ туры бомбардируются частицами сажи и золы, летящими мимо кла­ пана в общем потоке продуктов сгорания с большой скоростью. Их удары о клапан в дополнение к коррозии вызывают эрозию. В ито­ ге на рабочих фасках и седлах клапана образуются раковины, бо­ роздки, по которым прорываются горячие продукты сгорания. Это в свою очередь приводит к росту температуры металла, активации коррозионно-эрозионных процессов и местному выгоранию металла.

Чтобы избежать коррозии или, во всяком случае, уменьшить ее интенсивность, необходимо, как отмечалось, путем интенсивно­ го охлаждения понижать температуру клапана и его седла. Нужно

265

П р и м е ч а н и е . Сведения по дозировке ориентировочные.

иметь в виду, что переохлаждение клапанов (а это часто бывает с его стержнем при работе на пониженных нагрузках) стержень ин­ тенсивно корродирует под действием конденсирующейся на нем серной кислоты. Конденсация кислоты происходит, когда темпе­ ратура клапана оказывается ниже точки росы кислоты. Под дейст­ вием кислотной коррозии на стержне появляются типичные для

препятствующая образованию на клапанах, головках поршней и лопатках газовых турбин отложений Na—V-соединений и тем са­ мым уменьшающая их коррозию и выгорание. Входящий в присадку

взаимодействия MgO с пятиокисью ванадия имеют более низкие температуры плавления, но более высокие, чем натрий-ванадиевые соединения. Это позволяет большей части соединений ванадия в сухом виде покинуть двигатель вместе с продуктами сгорания, а не прилипнуть к клапану и другим элементам, как это происходит при более низких температурах плавления.

7.7. Водотопливные эмульсии

Применение водотопливных эмульсий (ВТЭ). При анализе тре­ бований, предъявляемых к очистке топлив, отмечалось, что с пере­ ходом от маловязких топлив к более тяжелым, в состав которых вхо­ дят тяжелые остаточные фракции, являющиеся хорошими естест­ венными эмульгаторами, возникли определенные трудности в отде­ лении воды. Ранее считалось, что наличие воды в топливе представ­ ляет определенную коррозионную опасность, прежде всего для топливной аппаратуры. Это находило подтверждение в эксплуата­ ции, особенно когда двигатели работали на дизельных сернистых топливах, для которых характерно присутствие меркаптановых со­ единений серы, вызывающих особенно интенсивную коррозию прецизионных пар насосов и форсунок при обводнении топлива.

и прямогонных маловязких топливах асфальтосмолистые соединения содержатся в небольших количествах, поэтому их недостаточно для создания защитного сольватного слоя вокруг всех глобул содержа­ щейся в топливе воды. В тяжелых топливах эти соединения со­ держатся в избытке, поэтому непосредственный контакт воды с ме­ таллическими поверхностями исключен — все глобулы воды «оде­ ты» в оболочку из смол и асфальтенов. В этом, а также в отсутст­ вии в тяжелых топливах меркаптанов кроются причины отмечае­

268

мого понижения требований к содержанию воды в широко ис­ пользуемых тяжелых топливах. Более того, наличие воды в топли­ вах, правда в строго дозированных количествах и в мелко раздроб­ ленном состоянии, признано даже полезным. Исследованиями было установлено, что введение воды в цилиндры дизеля способствует совершенствованию сгорания (улучшение смесеобразования, катали­ тическое действие ионов водорода), снижению токсичности выпус­ ка. температур рабочего'тела и теплонапряженного состояния, чи­ стоте цилиндров. Наиболее эффективный путь введения воды в ци­ линдры состоит в примешивании ее к топливу, с которым она с помощью естественных или специально вводимых в топливо эмульгаторов образует достаточно стабильную ВТЭ.

Водотопливная эмульсия представляют собой дисперсную си­ стему, состоящую из мелких капель воды (дисперсной фазы), рас­ пределенных в топливе (дисперсионной среде). Исследования пока­ зали, что нет необходимости добиваться столь высокой дисперсно­ сти в процессе приготовления эмульсии. Важно лишь после введе­ ния воды обеспечить такой размер глобул, чтобы эмульсия была стабильной и вода не отделялась в подогревателях, фильтрах и дру­ гих элементах топливной системы, а дальнейшее диспергирование ВТЭ происходит в ТНВД и форсунках, и в цилиндры двигателя она поступает, имея значительно меньший размер глобул.

Как отмечалось, ВТЭ представляет собой систему, состоящую из капель воды с температурой кипения при атмосферном давлении 100 °С, и окружающих их тяжелых фракций топлива, которые вы­ кипают при 350—450 °С. Капли ВТЭ, попавшие в камеру сгорания, быстро прогреваются, и благодаря большой разнице в температу­ рах кипения находящаяся внутри капель вода первая переходит в па­ рообразное состояние. В итоге из жидких капель образуются пу­ зырьки пара, окруженные оболочкой из смол и асфальтенов топли­ ва, обладающих наихудшей способностью к сгоранию. Из оболочки испаряются легкие фракции, она растягивается под действием расту­ щего внутреннего давления пара, что приводит к ее утоньшению и ослаблению. В ходе дальнейшего прогревания наступает момент, когда внутренние силы действия паров воды преодолевают силы поверхностного натяжения, и оболочка рвется. Происходит микро­ разрыв капли, частицы оболочки разлетаются в стороны, диффун­ дируя в массу окружающего их воздуха. В итоге интенсифицируют­ ся прогрев и испарение наиболее тяжелых составляющих топлива, улучшается смесеобразование, что способствует ускорению реак­ ции сгорания и более полному их завершению.

Вода играет также положительную роль в кинетике химиче­ ских реакций окисления углеводородов топлива. Увеличение содержания воды в ВТЭ способствует росту скорости распростра­ нения пламени до определенного предела, пока каталитический эф­ фект воды превышает ее отрицательное воздействие на температуры в зоне реакции. Последнее обусловливается затратами теплоты на

269