ВИДЫ ЖИДКОГО ТОПЛИВА И ЕГО ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Нефть – это маслянистая жидкость, смесь углеводородов следующих типов: парафинов метанового ряда C_nH_2n+1 и ароматических бензольного ряда C_nH_2n-2. Ее тип определяется преимущественным содержанием тех или иных углеводородов: бакинская нефть – нафтеновый тип, грозненская нефть – парафиновый тип, майкопская нефть - все три типа.

Кроме углеводородов в нефти содержатся кислородные, сернистые и азотистые вещества. В среднем в состав нефти входит 84-86% С, 12-14% Н, 0,01-5% S, небольшое количество кислорода. Зольность не превышает 0,5%. Теплота сгорания 41-43,8 МДж/кг. Плотность 780-1000кг/м³. чем меньше плотность нефти, тем больше в ней водорода, и тем больше теплота сгорания.

По содержанию S нефти делят:

· малосернистые до 0,5%

· сернистые от 0,5 до 1,9%

· высокосернистые более 1,9%.

Низкое содержание S в нефти позволяет получить из нее без сложной очистки бензин, керосин и дизельное топливо.

По содержанию смол нефти классифицируют:

· малосмолистые (с содержанием смол не более 8%)

· смолистые (8-25%)

· высокосмолистые (более 25%).

По содержанию парафина нефти классифицируют:

· беспарафинистые (содержание парафина до 1%)

· парафинистые (свыше 2%)

Мазут и смола

Мазут – высококалорийное топливо, теплота сгорания его в среднем 40200 кДж/кг. В топливном балансе на долю мазута приходится менее 5%.

Каменноугольную смолу применяют реже и ее доля – 0,05%. Теплота ее сгорания – 35,6МДж/кг.

Таблица 8.1 - Теплотехнические характеристики мазута

Таблица 8.2 - Структура потребления жидкого топлива

Вязкие крекинг. мазуты содержат от 87 до88,5% углерода и от 10,5 до 11,5% водорода. Содержание серы: из несернистых нефтей 1%; в сернистых – 3,5%.

Разница между теплотами сгорания обезвоженых, малосернистых и сернистых мазутов не превышает 2%. Чем больше содержание Н₂О в мазуте, тем меньше их рабочая теплота сгорания.

Q_{раб. отводнения}=Q_y-0,01Q_нW-5,58W

W – содержание воды в топливе,% или приближенно

Q_{раб абв}=Q_н-100W

Для эксплуатации существенный интерес представляет теплота сгорания, отнесенная к единице объема.

К_н^р – объемная теплота сгорания.

Q^Р_Н – низшая массовая теплота сгорания.

d₄²⁰ – плотность топлива.

Вязкость

От величины вязкости зависит степень распыления топлива форсунками, надежность работы топливорегулирующей и перекачивающей аппаратуры, легкость транспортирования и слив из ж/д цистерн, танкеров и барж. При вязкости топлива, называемой предельной, количество топлива, подаваемого по топливной системе к двигателю, не обеспечивает его номинальную мощность. Вязкость реактивных и дизельных топлив определяется капиллярным вискозиметром (кинематическая вязкость) и выражается в сантистоксах.

Вязкость газотурбинных топлив и флотских мазутов нормируется при 50 ⁰С (для мазутов Ф5 дополнительно определяется динамическая вязкость в пуазах при 0С и 10С), а для топочных мазутов при 80С (М-40 и М-100) и при 100С (М-200).

Вязкость газотурбинных топлив и мазутов измеряется условным вискозиметром и выражается условными градусами (˚ВУ). Условная вязкость мазутов принята в качестве основного показателя для их маркировки – марка топлива соответствует значению его условной вязкости в ˚ВУ при 50С (например вязкость мазута Ф12 равна 12˚ВУ). Использование дизельных топлив парафинового основания при низких температурах ограничивается их высокой температурой застывания. Вязкость мазутов тем больше, чем тяжелее мазут, чем больше его смолистость, изменяется при низких температурах по разному.

Мазуты прямой гонки - непарафинистые из несернистого сырья характеризуются сравнительно пологой вязкостью – температурной кривой до 0С. Имея низкую температуру застывания, они легко транспортируются и перекачиваются, при температуре около 0С. Вязкость непарафинистых крекинг-мазутов при понижении температуры более быстрее, чем мазутов прямой гонки. У парафинистых мазутов с повышением вязкость при уменьшении температуры резко повышается предельное напряжение сдвига за счет кристаллизации содержащихся в них высокоплавких, главным образом парафиновых углеводородов. Сливать и перекачивать парафинистые мазуты можно только при температурах, превышающие температуры застывания.

Мазуты, полученные при переработке сернистых нефтей, содержат значительное количество парафинов и смолисто-асфальтовых веществ. Поэтому при понижении температуры вязкость настолько увеличивается, что потеря подвижности (текуч5ести) наступает при более высоких температурах, чем температура застывания, определяемая по ГОСТ. В этом случае вязкость мазутов увеличивается не только от застывания, но и от загустения. Начиная с 10С и ниже, вязкость сернистых мазутов намного превышает вязкость несернистых. Для мазутов аномалия вязкости, появляющаяся при низких температурах, имеет большее значение, чем для дизельных топлив. Определяемую при этих условиях вязкость называется кажущейся, эффективной, структурной или максимальной ŋ_max.

С увеличением градиента скорости течения топлива, образовавшаяся структура разрушается, и кажущаяся вязкость уменьшается. Однако она уменьшается до определенного предела, после чего с возрастанием напряжением не изменяется. В этом случае образовавшуюся постоянную вязкость называют остаточной (с разрушенной структурой) или минимальной ŋ_min.

Структурная вязкость при низких температурах наблюдается у всех мазутов независимо от их происхождения. У сернистых прямогонных, и крекинг-мазутов структурообразование выражается сильнее, чем у малосернистых.

· Сернистые и крекинг-мазуты

· Малосернистые мазуты

В зимнее время при перевозках в цистернах температура мазута может достигать температуры наружного воздуха и слив их возможен только после подогрева до температур:

Таблица 8.3 – Температуры слива мазута

Таблица 8.4 – Вязкость мазутов при низких температурах, размерность пуазы, (ПЗ)

Мазут необходимо подогревать при перекачках его по трубопроводам, т.к. с увеличением вязкости мазутов уменьшается производительность насосов, а у центробежных насосов одновременно падает и кпд.

Средняя скорость перекачки мазутов м/с:

0,8…1,5 на линии всасывания

1,0..2,5 на линии нагнетания

Транспортировать высоковязкие парафиновые мазуты по трубопроводу, особенно имеющему значительную напряженность, можно при непрерывной их перекачке. При ее прекращении в случае невозможности сохранения вязкости мазута, необходимой для перекачки, трубопровод опорожняют.

Вязкость крекинг-мазутов и парафинистых мазутов прямой гонки непостоянна и зависит от предварительного их теплообмена (нагрева). Наиболее резко вязкость изменяется при предварительном нагреве от 70 до 100С, нагрев более 100С заметного влияния на изменение вязкости не оказывает. Изменяется вязкость в зависимости от степени обводнения: 2..3% - не влияет; 5% воды – повышается особенно заметно при t=30С и менее. Вязкость крекинг-мазутов при обводнении повышается в большей степени, чем мазутов прямой гонки. Чем больше воды в мазутах, тем сильнее возрастает их вязкость, уже при 50С вязкость обводненного мазута повышается в 2 раза.

Газификация мазута

На нефтеперерабатывающих заводах как остаточный продукт технологического процесса выделяется в больших количествах тяжелый остаток – мазут. Этот остаток используется в качестве резервного топлива на тепловых электрических станциях, в отопительных котельных и различных промышленных установках. Однако широкое распространение мазута в качестве топлива затруднено в связи с наличием в нем серы.

Рациональное использование мазутов может быть достигнуто предварительной его газификацией и очисткой полученного мазута от серы.

Схема газификации высокосернистого мазута на воздушном дутье с низкотемпературной (рис. 8.1 а) и высокотемпературной (рис. 8.1 б) очисткой газа.

Газификация сернистого мазута производится в газогенераторе 1 на воздушном дутье с коэффициентом избытка воздуха α=0,4..0,5 под давлением 800…1000кПа и при t=1200…1300С. воздух для газификации с t=300С подается в газогенератор компрессором. Полученный от генератора газ содержит сажу и сероводород. Для очистки газа от этих примесей его предварительно охлаждают до 475С в газоохладителе 2, включенном в циркуляционную систему энергетического котла, затем охлаждение производится очищенным газом в теплообменнике 3. Очистка от сажи производится в скруббере 4 и пенном аппарате 5. В абсорбере 6 сероводород поглощается водным раствором трикалийфосфата, который регенерируется в десорбере 7. Полностью очищенный от сероводорода газ имеет теплоту сгорания 4900 кДж/м³ и пригоден для сжигания в топках пром печей и парогенераторов.

Рисунок 8.1 - Схема газификации высокосернистого мазута на воздушном дутье с низкотемпературной очисткой газа.

Мазут в в газогенератор 1 подается в виде водяной эмульсии с влагосодержанием до 30%. Эмульсирование осуществляется в диспергаторах водным раствором щелочноземельных металлов для уменьшения сажеобразования. Генераторный газ с t=1200…1300С в уловителе 2 очищается в фильтрующем слое зернистого огнеупорного материала от сажи. В аппарате 3 происходит улавливание H₂S окисью кальция

СаО+H₂S=CaS+H₂O.

Отработавшая смесь сульфида кальция и окиси кальция подвергается рекуперации путем обжига. При регенерации выделяется газ с содержанием SO₂ до 10%, используемый далее для производства элементарной серы или серной кислоты. Генераторный газ окончательно очищенный от пыли в пылеуловителе 4 с t=1100…1200С и теплотой сгорания 4700кДж/м³ поступает к потребителям. Выход газа при газификации мазута по приведенным схемам составляет примерно 6,5м³ на 1кг мазута.

Рисунок 8.2 - Схема газификации высокосернистого мазута на воздушном дутье с высокотемпературной очистки газа.

Рисунок 8.3 - Схема комплексного энерготехнологического использования высокосернистых мазутов с высокоскоростным пиролизом.

Мазут с нефтеперерабатывающего завода поступает в среднюю часть ректификационной колонны 7, под нижнюю тарелку которой подается парогазовая смесь из реактора 2 с t=800С.

Мазут и тяжелые фракции жидкого остатка после возгонки в колонне 7 направляются в реактор (пиролизер), в котором осуществляется высокоскоростной пиролиз твердым теплоносителем при давлении 150 кПа и t=850…950С. Твердым теплоносителем является мелкодисперсный кокс, образующийся в реакторе в процессе пиролиза мазута и нагретый до 1000…1100С в регенераторе 4, куда подается воздух и немного горючего газа. Подача теплоносителя из регенератора в реактор осуществляется паром по пневмотрубе 1.

Для улучшения отгонки парогазовой смеси в реактор подается небольшое количество пара. Затворы 3 служат для герметизации аппаратов. Продукты неполного сгорания кокса (газификация), запыленные мелкими частицами кокса, имеющие t>1000C, из реактора направляются в топки парогенераторов. Из верхней части ректификационной колонны отводится пиролиз-газ. Холодильник 5 и сепаратор 6 служат для отделения из парогазовой смеси легких фракций, в основном бензола.

Состав и теплота сгорания пиролиз-газа зависят от температуры процесса. Для указанного выше интервала температур содержание компонентов составляет: 20-40% C_nH_2n+2, 7-42% H₂, 15-42% C_nH_2n, 1-7% CO, 2.5-12% CO₂, 1.5-2% H₂S.

Теплота сгорания составляет 25100…31400кДж/м³. Установка высокоскоростного пиролиза сернистого мазута органически и территориально увязана с мощной электростанцией.