Качество мазута: основные характеристики

КАЧЕСТВО МАЗУТА: ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Стремление к сокращению затрат на приобретение топлива заставляет судовладельцев и изготовителей судовых энергетических установок использовать наиболее дешевые высоковязкие сорта углеводородных видов топлива — осуществлять поиск технических решений по снижению его расхода. топливный смесь мазут гомогенизация В судовых дизельных двигателях используются смеси дистиллятных видов топлива с высоковязкими крекинг-остатками. В зависимости от конструктивных особенностей, характеристик рабочего процесса двигателей, совершенства системы топливоподготовки.

В основном применяются топливные смеси вязкостью от 180 сСт до 700 сСт.

С повышением вязкости доля дистиллятного топлива в смеси уменьшается и соответственно увеличивается доля мазута, что приводит к ухудшению качественных характеристик топлива.

Мазут относится к группе остаточных фракций углеводородов, получаемых в процессе переработки нефти. Свойства мазута зависят от исходных свойств сырой нефти и глубины ее переработки на нефтеперерабатывающих заводах. В мазуте, как конечном продукте нефтепереработки, сосредоточивается балласт — негорючая часть, состоящая из минеральной массы, воды. В процессах крекинга нефти легкие углеводородные фракции, бензин, керосин, дизельное топливо насыщаются содержащимся в нефти водородом в большей степени, поэтому в мазуте содержание водорода по сравнению с сырой нефтью уменьшается, что приводит к снижению его теплотворной способности.

Снижение теплотворной способности мазута обусловливается повышенным содержанием в его составе серы, азота, кислорода, смол, асфальтенов, золы, механических примесей.

В минеральной массе мазута присутствует значительное количество различных металлов, в том числе и ванадия. Ванадий сосредоточивается в нефтяных смолах, асфальтенах, являющихся и основными серосодержащими компонентами. Окислы ванадия вызывают как низкотемпературную так и высокотемпературную, при 600−700oС, коррозию металлов, приводящую к разрушению поверхностей нагрева, уплотняющих поверхностей выпускных клапанов и лопаток газовых турбин.

Согласно международным стандартам качества минеральная масса, содержащаяся в мазуте, не должна превышать 0,1−0,3%, но, несмотря на малое ее содержание, образующаяся при сжигании мазута зола, отлагаясь на поверхностях нагрева котлоагрегатов, значительно уменьшает передачу тепла от продуктов сгорания. Отложения золы на поверхностях деталей поршневой группы дизелей вызывают ускоренный износ трущихся поверхностей, затрудняют отвод тепла к охлаждающим средам.

При транспортировке и хранении в емкостях качество мазута изменяется. В результате постоянного окисления, полимеризации, химических реакций, углеводороды мазута превращаются в твердые продукты, выпадающие в осадок.

В холодную погоду во время разогрева железнодорожных цистерн острым паром, содержание воды в мазуте может достигать 10−15%. Во время дальнейшего хранения мазут дополнительно обводняется атмосферной влагой. Анализы качества мазута, хранящегося в емкостях на одной из нефтебаз, показали, что содержание воды в пробах, отобранных на уровне 4−5 м от днища, достигает 5%, а в придонных слоях -12%.

Бункерные компании производят подогрев мазута в емкостях до температуры, при которой обеспечивается перекачивание, смешивание мазута. При недостаточном подогреве отстаивание воды в высоковязком мазуте, обладающем высокой плотностью, становится практически невозможным и с большой вероятностью можно полагать, что к потребителям поступает чрезмерно обводненный мазут. Качество мазута может ухудшиться и при смешивании его в емкостях нефтебаз с мазутом, в котором вследствие длительного хранения качественные характеристики не отвечают стандартным требованиям. Бункерующие компании приобретают партии топлива от различных поставщиков и смешивают их, выдерживая только стандарты качества по вязкости, и почти не учитывают другие показатели. Действуя таким образом, они основываются на международных стандартах качества, которые не включают в себя проверку на степень очистки от посторонних включений и на стабильность топлива, не определяют расчетный углеродный ароматический индекс /CCAI/, оказывающий существенное влияние на способность топлива к воспламенению. При индексе CCAI более 850−890 способность топлива к воспламенению резко ухудшается.

Это приводит к аварийному загрязнению продуктами сгорания цилиндро-поршневой группы, выпускных клапанов, газотурбонагнетателей. Несгоревшее топливо может накапливаться в газовыпускном тракте, что приводит к повышению давления сгорания, стукам в цилиндрах, взрывам, пожару в выпускном тракте. Повышенное содержание ароматических фракций наиболее возможно у топлива с пониженной вязкостью от 180 сСт до 220 сСт, полученных при смешивании дистиллятных топлив с высоковязким мазутом. Смешивание же углеводородов различного природного происхождения, имеющих несовместимое структурное строение молекул, может привести к быстрой потере стабильности топлива. Использование нестабильного топлива в энергетических установках вызывает быстрое отложение нефтешлама в трубопроводах, непроходимость фильтров, приводит к аварийному загрязнению продуктами сгорания деталей цилиндро-поршневой группы и узлов газовыпускного тракта дизелей. Бункерующие компании принимают меры по предотвращению поставки некачественного топлива, но их возможности в повышении качества хранящегося мазута ограничены, и они вынуждены производить его поставку потребителю в состоянии «как есть». Поэтому каждая операция по смешиванию топлива несет в себе неопределенность по качеству конечного продукта.

Учитывая все факторы риска, судовой экипаж должен использовать для проверки качества находящуюся в его распоряжении судовую экспресс лабораторию, привлекать сторонние теплотехнические лаборатории и принимать другие необходимые меры по предотвращению приемки некачественного топлива. Конечная ответственность за последствия использования некачественного топлива всегда возлагается на судовую администрацию. Для предотвращения негативных последствий судовая система топливоподготовки должна быть снабжена эффективными техническими средствами, позволяющими до сжигания мазута в энергетических установках улучшать его качественные характеристики.

Улучшение физико-химических свойств мазута на судах достигается в результате применения различных гомогенизирующих устройств. Например, наше гидродинамическое оборудование, успешно применяется в топливных системах судовых энергетических установок для гомогенизации топлива, приготовления высокодисперсной водотопливной эмульсии с 1985 г. Применение гидродинамических устройств в судовой системе топливоподготовки На судах дизельное топливо и мазут хранятся в судовых танках раздельно. Если на судне установлено эффективное смесительное оборудование, имеется система для подогрева мазута в танках основного запаса и подогреватели, обеспечивающие подогрев мазута до необходимой температуры, то смешивание топлива для корректировки вязкости мазута целесообразно производить на судне. В этом случае исключается риск получения от бункерующих компаний большого объема нестабильного топлива, предотвращаются последствия его негативного воздействия на состояние энергетических установок и их систем, и появляется возможность использования более дешевых сортов мазута. Смешивание топлива на судне с одновременным улучшением качественных характеристик производится по мере уменьшения его объема в отстойных расходных емкостях, из которых обеспечивается подача топлива к судовым энергетическим установкам. Сокращение времени между гидродинамической обработкой топлива в смесительных устройствах и его сжиганием в энергетических установках не позволяет активным углеводородным радикалам, из-за недостатка времени на осуществление обратных химических реакций, возвратиться в исходное состояние, что и является одним из факторов повышения эффективности использования топлива. Приготовление к процессу смешивания топлива начинается с заполнения отстойных мазутных танков и соответственно отстойных танков дизельного топлива. Мазут в отстойных танках подогревается до температуры, при которой содержащаяся в нем вода осаждается в нижних горизонтах цистерны и затем через дренажный трубопровод удаляется. Аналогично, после отстаивания, удаляется и вода из цистерн дизельного топлива. Перед смешиванием топлива по номограммам известной вязкости компонентов производят определение их объемного содержания в смеси. В нашей установке, дизельное топливо на входе в кавитационный смеситель вводится в несущий поток мазута, предварительно подогретого до необходимой температуры. Приготовленная топливная смесь из кавитационного смесителя поступает в гомогенизатор-смеситель вихревой, в котором вследствие трансформации параметров состояния многокомпонентного потока возникают интенсивные акустические колебания в ультразвуковом спектре частот, создающие в объеме потока кавитационные разрывы. Закрытие кавитационных разрывов сопровождается концентрацией энергии, позволяющей в локальном объеме топлива повысить температуру до 1500−1800оС, давление до 200 кг/см2, что значительно превышает параметры крекинг-процесса при переработке нефти.

Исследования, проведенные после процесса гомогенизации, подтвердили глубокие структурные изменения в молекулярном составе углеводородов, повышение степени дисперсности асфальтенов, карбенов, карбоидов до размерного ряда частиц 2−3 мкм. Длинные молекулярные цепи преобразовывались в легкие углеводородные радикалы газовых, дистиллятных топливных фракций. При этом вязкость мазута уменьшалась на 20%, плотность на 2,5%.

Приобретенные после гомогенизации качественные характеристики сохранялись длительное время. Измельчение остаточных фракций способствовало сокращению потери горючей части топлива на 85%, ранее удаляемой в процессе сепарирования топлива в виде нефтешлама.

Применение гидродинамических устройств в топливной системе дизелей обусловливается необходимостью повышения дисперсности, преобразования углеводородных молекул остаточных фракций мазута в более активные радикалы, ускоряющих в цилиндрах дизеля процесс сгорания.

Гомогенизация топлива непосредственно перед процессом сгорания, перевод рабочего процесса судовых дизелей на высокодисперсную водотопливную эмульсию в настоящее время интенсивно применяется практически всеми ведущими дизелестроительными концернами для повышения эффективности использования топлива и предотвращения загрязнения окружающей среды вредными примесями уходящих газов.

Водотопливная эмульсия является особым видом топлива, качественно и количественно изменяющего процесс горения. Содержащиеся в топливе высокодисперсные частицы водной фазы при прогреве в цилиндре превращаются в паровые пузырьки, мгновенно дробящие топливные капли на мельчайшие частицы, которые быстрее прогреваются и интенсивнее взаимодействуют вначале с кислородом, образующимся в результате диссоциации воды, воспламеняются, и, перемешиваясь с кислородом воздушного заряда, ускоренно сгорают.

Находящаяся в составе эмульгированного топлива водная фаза может быть диссоциирована частично, в ходе окисления топлива в предпламенных процессах. Затем, по мере повышения температуры в фазе активного сгорания, реакция диссоциации воды ускоряется. Образующийся при диссоциации избыток атомов водорода быстро диффундирует в область с избытком кислорода, где их реакция компенсирует затраты энергии на диссоциацию воды. Участие в реакции горения дополнительного количества водорода приводит к увеличению количества продуктов сгорания. Молекулы воды ускоряют ход реакций в окислительных процессах и вследствие возникновения полярного эффекта, существенно улучшающего ориентацию частиц активных радикалов топлива. В ходе экспериментальных исследований установлено, что добавление к топливу 5−10% воды ускоряет процесс сгорания в 5−6 раз. Расширение дополнительных продуктов сгорания увеличивает работу газов в цилиндре двигателя.

Благодаря более полному и ускоренному сгоранию топлива, постоянной газификации отложений углерода, детали цилиндро-поршневой группы, газовыпуского тракта не загрязняются продуктами сгорания, меньше подвержены абразивному износу. Повышение степени дисперсности остаточных фракций, расщепление углеводородных молекул под воздействием ультразвуковой кавитации на более легкие фракции, интенсивное перемешивание многокомпонентной среды в высокотурбулентных вихрях способствует ускорению реакции горения, что позволяет компенсировать влияние ароматических углеводородов на задержку самовоспламенения топлива.

Разработанные технологии для смешивания, обработки топлива в поле ультразвуковой кавитации и приготовления высокодисперсных водотопливных эмульсий применяются в топливных системах судовых дизелей, в котлоагрегатах промышленных предприятий, на нефтебазах. Изготавливаемые в модульном исполнении наши установки комплексного диспергирования имеют производительность по готовому продукту 3,6−6,3 м3/ч, производительность по диспергируемому объему водной фазы 0,5−0,6 м3/ч, и обеспечивают основной размер частиц водной фазы в эмульсии 1−5 мкм.

С переводом рабочего процесса судовых дизелей на водотопливную эмульсиюс водосодержанием 17−20% расход топлива сокращается на 12%,.

• — эмиссия окислов азота NOx уменьшается на 30−37%, сернистого ангидрида SO2x на 50%, сероводородов H2S на 50%,
• — несгоревшие углеводороды отсутствуют.
• — cповышением эффективности использования топлива температура уходящих газов снижается на 8−10оС, соответственно уменьшается теплонапряженность деталей цилиндро-поршневой группы.
• — gри работе установок в режиме гомогенизации расход высоковязкого обезвоженного топлива уменьшается на 5%.

Отказов в работе гидродинамического оборудования не наблюдается, трудоемкость обслуживания незначительная.

С переводом работы котлоагрегатов на гомогенизированную, высокодисперсную эмульсию с водосодержанием 12−15% расход топлива сокращается на 6−8%, содержание вредных выбросов уменьшается, NOx на 40%, SO2 на 50%, H2S и несгоревших углеводородов в несколько раз.

Снижение расхода топлива в котлоагрегатах в основном достигается за счет сокращения подачи воздуха в топочное пространство, ускорения процесса сгорания топлива, увеличения теплопередачи от газов к греющим поверхностям, прекращения подачи пара к форсункам для распыления топлива, увеличения потока лучистой энергии, вследствие повышения температуры факела и резкого уменьшения нагарообразования на греющих поверхностях.

С переводом работы котлоагрегатов на эмульгированное топливо, изменения в динамике горения можно наблюдать визуально. Факел горящего эмульгированного топлива в топочном пространстве сокращается в объеме, становится прозрачным. Температура уходящих газов уменьшается по сравнению с обезвоженным мазутом на 30−35оС.

Изменение параметров процесса горения и состава уходящих газов свидетельствуют о повышении эффективности использования топлива. Приготавливаемая на базе мазута водотопливная эмульсия с размерным рядом частиц 1−3 мкм, является коллоидным раствором, которая обладает высокой агрегативной и кинетической устойчивостью и равномерно распределяется в объеме цистерны для хранения топлива, следовательно, частицы водной фазы не выпадают в осадок.

Таким образом, вода, которая находится в нижних слоях емкостей и могла бы вызывать срыв процесса горения в котлоагрегатах, после эмульгирования в гидродинамических устройствах равномерно распределяется в объеме емкости, что повышает эффективность использования мазута. Во время сдачи гидродинамического оборудования в работу, имели место случаи, когда при переводе снабжения котлоагрегатов на топливо из новой емкости, вследствие большого количества воды, выпавшей в осадок, водомазутная эмульсия, поступающая к форсункам, имела в своем составе до 65% водной фазы. И только благодаря высокодисперсному эмульгированию горение в топках котлоагрегатов оставалось стабильным без срыва факела.