Анализ качества и сертификация тяжелых моторных топлив и топлив для котельных установок. Показатели качества моторных топлив

Котельные топлива применяются в стационарных паровых котлах и в промышленных печах. Тяжелые моторные и судовые топлива используются в судовых энергетических установках. К котельным топливам относятся топочные мазуты марок Т-40 и Т-100, к тяжелым моторным топливам – флотские мазуты Ф5 и Ф12, выпускаемые по ГОСТ 10585-75.

Требования, предьявляемые к качеству котельных, тяжелых моторных и судовых топлив, и устанавливающие условия их применения, определяются такими показателями качества, как вязкость, содержание серы, теплота сгорания, температура застывания, температура вспышки, содержание воды, механических примесей и зольность.

Котельные топлива представляют собой тяжелые остатки прямой перегонки нефти и крекинг-остатки (мазуты), а также продукты термической переработки каменных углей и горючих сланцев (масла и смолы). Иногда в качестве котельного топлива используют подготовленную отбензиненную нефть.

В качестве тяжелых моторных топлив (флотских) используют смеси продуктов прямой перегонки нефти: 45-55% мазута прямогонного и 55-45% дизельного топлива. Допускается использовать в их составе до 22 % керосино-газойлевых фракций вторичных процессов (легкого газойля) каталитического и термического крекинга.

К этим видам топлив предьявляется ряд одинаковых требований [1, 4-9].

Теплота сгорания. Одна из важнейших характеристик топлив, от которой зависит расход топлива. Характеристика особенно важна для топлив, применяемых в судовых энергетических установках, так как при заправке топливом с более высокой теплотой сгорания увеличивается дальность плавания.

Теплота сгорания зависит от элементного состава, его зольности и прежде всего от соотношения водорода и углерода. Входящие в состав топлива кислород, азот, влага и негорючие минеральные вещества (зола) являются балластом.

Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При определении высшей теплоты сгорания учитывают ту часть тепла, которая расходуется на конденсацию паров воды, образовавшихся при сгорании (окислении) водорода, содержащегося в топливе, и воды, присутствующей в самом топливе.

При определении низшей теплоты сгорания тепло, затрачиваемое на образование воды, не учитывается. Стандарты на котельные топлива регламентируют низшую теплоту сгорания. Для котельных топлив она находится в пределах 399900-41454 кДж/кг при плотности 940-970 кг/м³. Дизельные топлива плотностью 835-855 кг/м³ имеют низшую теплоту сгорания примерно 42 кДж/кг. Теплота сгорания высокосернистых топлив ниже, чем сернистых, и соответственно еще ниже, чем у малосернистых. Зная соотношение углерода и водорода, можно найти низшую теплоту сгорания.

В условиях эксплуатации для ориентировочного подсчета низшей рабочей теплоты сгорания (в кКал/кг) можно воспользоваться эмпирическими формулам

Q_в = 12400 - 2100×(d¹⁵)²;

Q_н = Q_в - 50.45;

Q_н^{раб.обв} = Q_н - 0.01×Q_н×W - 5.58×W,

где d¹⁵-плотность топлива при 15⁰С;

W – содержание воды в топливе, % мас.;

Q_н^{раб.обв} – низшая рабочая теплота сгорания топлива, содержащего воду, кКал/кг.

Вода в топливо попадает при наливе в железнодорожные и автоцистерны и сливе из них, а также при перекаче по трубопроводам. В зимнее время, когда вязкость существенно возрастает, перекачка осуществляется после предварительного нагрева до 50-60⁰С. Нагрев такого рода продуктов чаще всего производится паром, который, конденсируясь, накапливается в виде воды в топливе. Чем больше воды в топливе, тем меньше тепла выделяется при его сгорании, в связи с чем нормируют содержание воды в топливе.

Вязкость.Это техническая характеристика, которая определяет возможность и условия применения топлива, слива его из железнодорожных цистерн, транспортировки по трубопроводам, распыления форсунками. От вязкости в значительной мере зависит скорость осаждения механических примесей при хранении топлива, а также его способность отстаиваться от воды. Нормируют условную вязкость при 50-80⁰С и соотвествующую ей кинематическую, а также динамическую вязкость - при 0⁰С.

С учетом предварительного нагрева топлива до 50⁰С при проведении сливных и наливных мероприятий для топлив нормируют условную вязкость при 50⁰С. Кроме того, котельные топлива и флотские мазуты для хорошего распыления форсунками должны иметь определенную вязкость, которая достигается за счет предварительного нагрева топлива перед его подачей в печь или судовой двигатель до 80⁰С. Поэтому в топливах нормируют условную вязкость при 80⁰С.

В западных спецификациях (стандартах) наряду с условной вязкостью нормируют и кинематическую вязкость, считая, что при температурах более 50⁰С изменение температуры мало влияет на вязкость, т. е. вязкость в этом температурном пределе не зависит от приложенного напряжения (сдвигающего усилия). Поэтому в стандартах наряду с условной вязкостью при 50 и 80⁰С нормируют и соответствующую ей кинематическую вязкость. Значение условной вязкости при 50⁰С используется при маркировке мазутов.

К такого рода топливам предъявляются требования, связанные с их транспортировкой, – мазуты при температурах около 0⁰С должны достаточно легко перекачиваться. При этих температурах они обладают вязкостно-пластичными свойствами, т.е. аномальной вязкостью, или приобретают свойства неньютоновской жидкости (когда вязкость зависит от градиента скорости).

С повышением скорости движения слоев вязкость уменьшается до определенного предела, когда она уже не зависит от скорости сдвига (структура мазута полностью разрушена). Такую вязкость называют остаточной вязкостью. Максимальная разница между максимальной вязкостью (до приложенного напряжения) и остаточной вязкостью достигается при температуре 0⁰С. Поэтому для данного рода нефтепродуктов нормируют значение динамической вязкости при температуре 0⁰С. С увеличением температуры выше 50⁰С мазут приобретает свойства ньютоновской жидкости.

При низких температурах на условия прокачки будет влиять присутствие воды. Кристаллизуясь, она будет забивать фильтры насосов и усиливать структурную вязкость. Поэтому содержание воды нормируют также и по этой причине.

Температура застывания. Как и вязкость, температура застывания топлив характеризует условия их слива и перекачки. Она зависит от трех основных факторов: содержания основных групповых компонентов и качества перерабатываемой нефти; предварительной термической обработки; способа получения топлива (смесевыми компонентами).

С увеличением в составе исходной нефти парафиновых углеводородов температура застывания топлив увеличивается, а с увеличением асфальтено-смолистых веществ – она снижается.

В зависимости от условий термообработки (температуры, длительности нагрева и скорости охлаждения) температура застывания существенно меняется. Максимальная температура застывания мазутов наблюдается при их нагреве до 30-70⁰С, минимальная – при нагреве от 80 до 100⁰С. Дальнейшее повышение температуры нагрева на температуру застывания практически не влияет. Увеличение продолжительности предварительного нагрева приводит к резкому понижению температуры застывания. Однако она неустойчива и при длительном хранении увеличивается (восстанавливается до прежних пределов).

При использованни в качестве компонентов топлив продуктов вторичной каталитической переработки (каталитического крекинга и каталичитеского риформинга) температура застывания товарных мазутов и котельных топлив уменьшается.

Пожароопасность топлив. Пожароопасность топлив нормируют температурой вспышки. Для мазутов, используемых в качестве топлива длясудовых энергетических установок, нормируют температуру вспышки в закрытом тигле (так как в состав могут входить керосино-газойлевые фракции) не ниже 75-80⁰С, а для котельных топлив в закрытом тигле - не ниже 90-100⁰С. Эти нормы обеспечивают безопасность работы энергетических и котельных установок. Флотские мазуты хранят в непосредственной близости от жилых помещений и котельных установок, а топлива для котельных установок подают на смешение с воздухом уже подогретыми. Поэтому воспламенение их возможно еще до попадания в камеру сгорания, что может привести к пожару.

Чистота топлив. Данная характеристика оценивается по содержанию в топливе механических примесей и воды. При использовании обводненного топлива на поверхности трения деталей и прецизионных пар в результате попадания глобул воды нарушаются условия смазывания, кроме того, возможно зависание плунжеров и форсуночных игл. Как правило, вода образует с котельными топливами стойкие эмульсии с повышенной вязкостью.

В то же время в процессе испарения и горения топлив испарение воды происходит в виде «микровзрывов», при этом процесс сгорания происходит более плавно, увеличивается полнота сгорания, что приводит к уменьшению удельного расхода топлива и дымности отработанных газов. Поэтому перед подачей на форсунку котельные топлива смешивают с водой или паром в специальных устройствах: кавитаторах или смесителях.

Механические примеси засоряют фильтры и форсунки, нарушая процесс распыления топлива. Они усиливают процесс закоксовывания (образования углистых отложений).

Антинагарные свойства. Антинагарные свойства топлива влияют на надежность работы двигателей и энергетических установок. Для мазутов и топлив котельных установок антинагарные свойства оцениваются двумя показателями: зольностью и коксуемостью.

Зольность топлива характеризует содержание в нем несгораемых примесей и прежде всего солей металлов. При сжигании топлив зола отлагается на поверхностях нагрева котлов и проточной части форсунок. Это приводит к снижению теплоотдачи, повышает температуру отходящих газов, способствует прогару.

Коксуемость топлива характеризуется нагаром. Нагар откладывается на распылителях форсунок, в камере сгорания, в результате чего нарушается расчетный режим работы, а полнота сгорания топлива снижается. Кроме того, нагар ведет к ускоренному изнашиванию и даже поломке деталей энергетических установок.

Склонность топлив к нагарообразованию увеличивается с увеличением содержания в топливе асфальтено-смолистых веществ (АСВ). Их увеличение косвенно оценивают по такому показателю,как коксуемость. Повышенное содержание АСВ в топливах приводит к снижению эффективности горения и понижает их стабильность при хранении (способствует накоплению твердых и полутвердых осадков). Кроме того, АСВ в результате неполного сгорания в виде сажи попадают в окружающую среду (экологичность топлива).

Коррозионная активность. Коррозионную активность мазутов и топлив для котельных установок нормируют тремя основными показателями:

- содержанием общей серы;

- содержанием сероводорода;

- содержанием водорастворимых кислот и щелочей (ВКЩ).

В остаточных топливах содержание серы зависит от типа перерабатываемой нефти (сернистой или высокосернистой) и технологии получения топлива. Наиболее коррозионно-агрессивными компонентами являются меркаптановая сера и сероводород. Меркаптановая сера накапливается в основном в дистиллятных фракциях, поэтому в остаточных нефтепродуктах она не нормируется, а нормируется только содержание сероводорода.

При сжигании сернистых топлив все сернистые соединения дают оксиды серы SO₂ и SO₃. Наличие в дымовых газах SO₂ и SO₃ повышает температуру начала конденсации влаги - точку росы, в связи с чем температура поверхностей котлов близка к точке росы дымовых газов. На этих поверхностях конденсируется серная кислота, которая и вызывает усиленную коррозию металлов. Содержание серы в мазутах оказывает значительное влияние на экологическое состояние воздушного бассейна. В ряде ведущих стран в последние годы содержание серы ограничено 0.5-1,0 % мас.

Коррозия металла также может вызываться и присутствующими в воде неорганическими кислотами и щелочами, которые попадают в топливо вместе с атмосферными осадками и вымываются из топлива. Наличие водорастворимых кислот и щелочей (ВКЩ) в мазутах и котельных топливах недопустимо.

Лабораторная работа 4

Цель работы:

В зависимости от поставленной задачи целью лабораторной работы может быть:

1. Проведение сертификационных испытаний товарных флотских мазутов марок Ф-5 и Ф-12 и мазутов топочных марок Т-40 и Т-100 на соответствие их основных физико-химических и эксплуатационных показателей требованиям ГОСТ 10585-75*; оформление по результатам сертификационных испытаний сертификата соответствия или паспорта качества.

2. Определение марки мазута и области его применения на основании определения его основных физико-химических и эксплуатационных показателей (согласно требованиям ГОСТ 10585-75*); оформление паспорта качества.

Выбор вида анализа (сертификационные или контрольные испытания) производится преподавателем.

При анализе качества и сертификации флотских мазутов и топлив для котельных установок по ГОСТ 10585-75* в учебной лаборатории определяют следующие физико-химические и эксплуатационные показатели:

- плотность при 20⁰С;

- содержание воды;

- условная и кинематическая вязкость;

- коксуемость;

- зольность;

- массовая доля механических примесей;

- содержание водорастворимых кислот и щелочей (ВКЩ);

- массовая доля серы;

- температура вспышки в закрытом и открытом тигле.

По результатам анализа рассчитывают низшую и высшую теплоту сгорания в пересчете на сухое топливо.

Перед началом работы необходимо проработать следующие вопросы коллоквиума по качеству флотских мазутов и топлив для котельных энергетических установок:

1. Теплота сгорания.

2. Вязкостно-температурные свойства, условия траспортировки и прокачки.

3. Коррозионная активность.

4. Чистота топлив.

5. Антинагарные свойства.

6. Пожароопасные свойства.

При подготовке к коллоквиуму следует использовать литературу [1, 4-9].

Сертификат соответствия не выдается, если сертифицируемый мазут не соответствует хотя бы по одному из показателей ГОСТ 10585-75* на нефтепродукт. В этом случае выдается паспорт качества.

Сертификация топлива для мартеновских печей по ГОСТ 14298-79* только добровольная.

Форма сертификата соответствия приведена в прил.5, паспорта качества в прил.6. Порядок и правила заполнения сертификата соответствия приведен в [1].

Сертификация флотских мазутов и топлив для котельных установок осуществляется в соотвествии с ГОСТ 10585-75^*. При сертификации мазутов, поступающих из-за рубежа (ASTM D 396-60T, MIL-F-859D морского ведомства и т.д.), анализ качества проводится в соотвествии с ГОСТ 10585-75^*. Физико-химические и эксплуатационные показатели мазутов согласно требованиям ГОСТ 10585-75^* приведены в прил. 9.