книги / Технология глубокой переработки нефти и газа

С улучшением качества распиливания и повышением темпе­ ратуры нагрева воздуха скорость испарения впрыскиваемого топли­ ва возрастает (однако степень распыливания не должна быть чрез­ мерно высокой, чтобы обеспечить необходимую дальнобойность струи). Время, которое отводится на испарение, в дизелях примерно в 10-15 раз меньше, чем в карбюраторных двигателях, и составляет 0,6 - 2,0 мс. Тем не менее в дизелях используют более тяжелые топ­ лива с худшей испаряемостью, поскольку испарение осуществляет­ ся при высокой температуре в конце такта сжатия воздуха.

Испаряемость дизельных топлив оценивается их фракционным составом. Если пусковые свойства автобензинов определялись tHк и t,»./., то для дизельных топлив они оцениваются t50%. Чем ниже эта температура, тем легче запуск дизеля. Этот показатель нормируется 280°С для летнего и зимнего сортов и 255°С для арктических дизель­ ных топлив. Считается, что t„ к дизельных топлив должна составить 180 - 200°С, поскольку наличие бензиновых фракций ухудшает их воспламеняемость и тем самым пусковые свойства, а также повыша­ ет пожароопасность. Нормируемая температура Ь ^ в пределах 330 - 360°С свидетельствует о присутствии в топливе высококипящих фракций, которые могут ухудшить смесеобразование и увеличить дымность отработавших газов.

Вязкость дизельных топлив. Топливо в системе питания ди­ зельного двигателя выполняет одновременно и роль смазочного ма­ териала. При недостаточной вязкости топлива повышается износ плунжерных пар насоса высокого давления и игл форсунок, а также растет утечка топлива между плунжером и гильзой насоса. Топливо слишком вязкое будет плохо прокачиваться по системе питания, не­ достаточно тонко распыливаться и неполностью сгорать. Поэтому ограничивают как нижний, так и верхний допустимые пределы ки­ нематической вязкости при 20°С (в пределах от 1,5 до 6,0 сСт.).

Низкотемпературные свойства. В отличие от бензинов в состав дизельных топлив входят высокомолекулярные парафиновые углево­ дороды нормального строения, имеющие довольно высокие темпе­ ратуры плавления. При понижении температуры эти углеводороды выпадают из топлива в виде кристаллов различной формы, и топли­ во мутнеет. Возникает опасность забивки топливных фильтров кристаллами парафинов. Принято считать, что температура помут­ нения характеризует нижний температурный предел возможного применения дизельных топлив. При дальнейшем охлаждении помут­

141

невшего топлива кристаллы парафинов сращиваются между собой, образуют пространственную решетку, и топливо теряет текучесть. Температура застывания — величина условная и используется для ориентировочного определения возможных условий применения топ­ лива. Этот показатель принят для маркировки дизельных топлив на

шения низкотемпературных свойств дизельных топлив следующие

3способа:

1)адсорбционная (цеолитная) или карбамидная депарафинизация;

2)облегчение фракционного состава путем снижения темпе­ ратуры конца кипения топлива;

3)добавление к топливам депрессорных присадок, которые эффек­ тивно снижают их температуры застывания. В качестве депрессоров промышленное применение получили сополимеры этилена с винила­ цетатом. Поскольку они практически не влияют на температуру по­ мутнения топлив, большинство исследователей считает, что депрессор, адсорбируясь на поверхности образующихся кристаллов парафинов, препятствует их агрегации с формированием объемного каркаса.

Коррозионная активность характеризует способность топлива

вызывать коррозию деталей двигателя, топливной аппаратуры, топ­ ливопроводов, резервуаров и т.д. Она зависит, как и у бензинов, от содержания в топливе коррозионно-агрессивных кислородных и се­ роорганических соединений: нафтеновых кислот, серы, сероводоро­ да и меркаптанов. Коррозионная активность дизельных топлив оце­ нивается содержанием: общей серы (менее 0,2 и 0,4 - 0,5% масс, для I и II вида соответственно), меркаптановой серы (менее 0,01% масс.), сероводорода (отсутствие), водорастворимых кислот и щелочей (от­ сутствие), а также кислотностью (менее 5 мг/КОН/460 мл) и испыта­ нием на медной пластинке (выдерживает). Для борьбы с коррозион­ ными износами деталей дизеля выпускают малосернистые топлива н добавляют к ним различные присадки (антикоррозионные, защит­ ные, противоизносные и др.).

Экологические свойства. По сравнению с автобензинами, дизель­ ные топлива характеризуются значительно меньшей пожароопас­ ностью. Это достоинство является решающим при выборе типа дви­ гателя для установки на том или ином виде техники. Например, изза меньшей пожароопасности топлива дизели используют на судах речного и морского флота, комбайнах, подводных лодках, на танках, бронетранспортерах и т.д.

142

Пожароопасность дизельных топлив оценивают по температуре вспышки в закрытом тигле. Для всех марок быстроходных дизель­ ных топлив она нормируется не ниже 30 - 35°С. Для топлив, пред­ назначенных к применению на кораблях, температура вспышки дол­ жна быть не ниже 61 °С, а в особо опасных условиях, например, в подводных лодках, - не ниже 90°С.

Взависимости от условий применения установлены в соответствии

сГОСТ 305-82 следующие марки топлив для быстроходных дизелей: Л (летнее), 3 (зимнее) и А (арктическое) (табл. 4.4). В стандарт введе­ на следующая форма условного обозначения топлив: к марке Л до­ бавляют цифры, соответствующие содержанию серы и температуре вспышки, например, Л-0,2-40; к марке 3 - содержание серы и темпера­ туры застывания, например, 3-0,2 минус 35. В условное обозначение марки топлива А входит только содержание серы, например, А-0,4.

По техническим условиям выпускаются дизельные топлива:

-экспортные ДЛЭ, ДЗЭ;

-с депрессорными присадками Д ЗП, ДАП;

-экологически чистые и с улучшенными экологическими свой­ ствами (с содержанием серы 0,01 и 0,005%) ДЭК-Л, ДЭК-3, ДЛЭЧ, ДЗЭЧ и др.

Взападно-европейских странах и США начато производство экологичных дизельных топлив со сверхнизким содержанием серы (менее 0,05%).

Топлива для тихоходных дизелей. Дизели с небольшой частотой вращения коленчатого вала (менее 1000 об/мин) наиболее широко используют в стационарных установках, что позволяет предвари­ тельно провести подогрев, отстой и фильтрацию топлива, тем самым снижает требования к его эксплуатационным свойствам. Вязкость топлива для тихоходных дизелей значительно выше, чем для быстро­ ходных, поэтому ее нормируют при 50°С. Тихоходные дизели обыч­ но работают в закрытых помещениях, поэтому топливо должно иметь более высокую температуру вспышки. Для тихоходных дизелей вы­ пускается 2 марки топлива: ДТ и ДМ (табл. 4.5). Марка ДТ пред­ ставляет собой смесь дистиллятных и остаточных продуктов. Его используют в среднеоборотных и малооборотных дизелях, не обору­ дованных средствами предварительной подготовки топлива. Марка ДМ (мазут) рекомендуется для тихоходных судовых дизелей, установ­ ленных в помещениях, оборудованных системой подготовки топлива.

143

Таблица 4.4]

144

Таблица 4.S

Требования к качеству топлив для средне- и малооборотных двигателей

4.3.3. Реактивные топлива

В современной гражданской и военной авиации широкое приме­ нение получили воздушно-реактивные двигатели (ВРД), работающие на жидком углеводородном топливе. Это обусловлено достаточно широкими ресурсами нефтяных углеводородных топлив, их сравни­ тельно невысокой стоимостью, высокими энергетическими показа­ телями и рядом других достоинств.

Применение ВРД, являющегося одновременно движителем са­ молета без сложных механических передаточных и ходовых уст­ ройств, позволяет при относительно небольшой массе создать боль­ шую тягу, причем в отличие от поршневых двигателей с пропеллером сила тяги ВРД не только не снижается с увеличением высоты и ско­ рости полета, наоборот, даже возрастает.

Совершенствование ВРД и реактивных самолетов всегда было направлено на дальнейшее увеличение высоты и скоростей полета, повышение моторесурса, надежности и экономичности двигателей,

145

обеспечение безопасности полетов. В зависимости от развиваемых скорости и высоты полета принято классифицировать ВРД и соот­ ветственно топлива на два типа: для дозвуковых и сверхзвуковых реактивных самолетов.

Среди моторных топлив к реактивным топливам предъявляются более повышенные требования к качеству - подвергают более тща­ тельному контролю технологию как при производстве, так и транс­ портировке, хранении и применении.

К топливу для ВРД предъявляются следующие основные тре­ бования:

-оно должно полностью испаряться, легко воспламеняться и быстро сгорать в двигателе без срыва и проскока пламени, не обра­ зуя паровых пробок в системе питания, нагара и других отложений в: двигателе;

-объемная теплота сгорания его должна быть возможно высокой;

-оно должно легко прокачиваться по системе питания при лю­ бой и экстремальной температуре его эксплуатации;

-топливо и продукты его сгорания не должны вызывать корро-, зии деталей двигателя;

-оно должно быть стабильным и менее пожароопасным при хра­ нении и применении.

Испаряемость - одно из важнейших эксплуатационных свойств реактивных топлив. Она характеризует скорость образования го­ рючей смеси топлива и воздуха и тем самым влияет на полноту и стабильность сгорания и связанные с этим особенности работы ВРД: легкость запуска, нагарообразование, дымление, теплонапряженность камеры сгорания, а также надежность работы топливной сис­ темы.

Испаряемость реактивных топлив оценивают, как и автобензи­ нов, фракционным составом и давлением насыщенных паров. Для реактивных топлив нормируются температура начала кипения, 10, 50, 90 и 98-процентного выкипания фракции. Температура конца кипения (точнее, 98% перегонки) регламентируется требованиями прежде всего к низкотемпературным свойствам, а начала кипения - пожарной опасностью и требованием к упругости паров. Естественно,

уреактивных топлив для сверхзвуковых самолетов температура начала кипения существенно выше, чем для дозвуковых. В ВРД на­ шли применение 3 типа различающихся по фракционному составу топлив. Первый тип реактивных топлив, который наиболее распрост­

146

ранен, - это керосины с пределами выкипания 135 -1 5 0 и 250-280°С (отечественные топлива Т-1, ТС-1 и РТ, зарубежное - JR-5). Второй тип— топливо широкого фракционного состава (60 - 280°С), являю­ щееся смесью бензиновой и керосиновой фракций (отечественное топливо Т-2, зарубежное - JR-4). Третий тип - реактивное топливо для сверхзвуковых самолетов: утяжеленная керосино-газойлевая фракция с пределами выкипания 195-315°С (отечественное топливо Т-6, зарубежное JR-6).

Давление насыщенных паров реактивного топлива обуслов­ ливает потери топлива и избыточное давление в баках, необходимое для обеспечения бескавитационной работы топливных насосов. Оно определяется в приборе типа бомбы Рейда при температуре 38°С для топлива Т-2 и при 150°С для топлив, не содержащих бензиновой фракции.

Горючесть является весьма важным эксплуатационным свой­ ством реактивных топлив. Она оценивается следующими показате­ лями: удельной теплотой сгорания, плотностью, высотой некоптя­ щего пламени, люминометрическим числом и содержанием арома­ тических углеводородов (общим и отдельно бициклическим).

Удельная массовая теплота сгорания реактивного топлива ко­ леблется в небольших пределах (10250 - 10300 ккал/кг), а удельная объемная - более существенно в зависимости от плотности топлива (которая изменяется в пределах от 755 для Т-2 до 840 кг/м3 для Т-6). Плотность топлива - весьма важный показатель, определяющий дальность полета, поэтому предпринимаются попытки получения топлив с максимально высокой плотностью.

Высота некоптяшего пламени - косвенный показатель склонно­ сти топлива к нагарообразованию. Она зависит от содержания аро­ матических углеводородов и фракционного состава (должна быть не менее 16 мм для Т-1; 25 мм для ТС-1, Т-2 и РТ и 20 мм для Т-6).

Люминометрическое число характеризует интенсивность тепло­ вого излучения пламени при сгорании топлива, т.е. радиацию пла­ мени, является также косвенным показателем склонности топлива к нагарообразованию. Оно определяется путем сравнения с яркостью пламени эталонных топлив - тетралина и изооктана (Л Ч для Т-6>45, Т-1>50, ТС-1, Т-2 и РТ>55).

Склонность топлива к нагарообразованию в сильной степени зависит от содержания ароматических углеводородов. Нормируется

147

для реактивных топлив следующее содержание ароматических уг­ леводородов: Т-6<10, Т-1<20, ТС-1, Т-2<22 и РТ<18,5% масс.

Воспламеняемость реактивных топлив обычно характеризуется концентрационными и температурными пределами воспламенения, самовоспламенения и температурой вспышки в закрытом тигле и др. По ГОСТу нормируется только температура вспышки (для ТС-1 и РТ>28, для Т-1>30 и Т-6>60 °С), а определение остальных перечис­ ленных выше показателей предусматривается в комплексе квали­ фикационных методов испытаний реактивных топлив.

Прокачиваемость реактивных топлив оценивают следующими показателями: кинематической вязкостью, температурой начала кристаллизации, содержанием мыл нафтеновых кислот и содержа­ нием воды и механических примесей.

Кинематическая вязкость топлив нормируется при двух тем­ пературах: при 20°С (Т-2>1,05;ТС-1 и РТ>1,25; Т-1>1,5 и Т-6<4,5 сСт) и при 40 °С (Т-2<6; ТС-1<8; Т-1 и РТ<16 и Т-6<60 сСт).

Температура начала кристаллизации для всех отечественных реактивных топлив до недавнего времени нормировалась не выше минус 60°С. В настоящее время на наиболее широко используемый сорт Т-2 допускается этот показатель не выше минус 55 °С.

Химическая стабильность реактивных топлив. Поскольку топ­ лива для ВРД готовят преимущественно из дистиллятных прямогон­ ных фракций, они практически не содержат алкенов, имеют низкие йодные числа (не выше 3,5 г J2/100 мл) и характеризуются достаточ­ но высокой химической стабильностью. В условиях хранения окис­ лительные процессы в таких топливах идут очень медленно. Гидро­ очищенные реактивные топлива, хотя в них удалены гетеросоедине­ ния, тем не менее легче окисляются кислородом воздуха ввиду уда­ ления природных антиокислителей и образуют смолоподобные про­ дукты нейтрального и кислотного характера. Для повышения хими­ ческой стабильности гидроочищенных топлив добавляют антиокислительные присадки (типа ионола). Химическая стабильность реак­ тивных топлив оценивается по йодным числам и содержанию фак­ тических смол.

Термоокислительная стабильность характеризует склонность реактивных топлив к окислению при повышенных температурах с образованием осадков и смолистых отложений. В условиях авиаци­ онных полетов имеет место повышение температуры топлива в топ­ ливных системах вплоть до 200°С и выше, например, в сверхзвуко­

148

вых самолетах. Было установлено, что зависимость осадкообра­ зования в топливах при изменении температуры от 100 до 300°С но­ сит экстремальный характер. Характерно, что для каждого вида топ­ лива имеется своя температурная область максимального осад­ кообразования. Так, эта температура для топлив ТС-1 и Т-1 состав­ ляет 150 и 160°С соответственно. Чем тяжелее фракционный состав топлива, тем при более высокой температуре наступает максимум осадкообразования. Окисление топлив при повышенных темпера­ турах значительно ускоряется за счет каталитического действия материала деталей топливных систем. Для снижения интенсивнос­ ти окислительных процессов наиболее эффективно введение в реак­ тивное топливо присадок, пассивирующих каталитическое действие металлов. Оценку термоокислительной стабильности реактивных топлив проводят в специальных приборах в статических и динами­ ческих условиях. Статический метод оценки заключается в окис­ лении образца топлива при 150°С в изолированном объеме с после­ дующим определением массы образовавшегося осадка (в м г/100 мл) в течение 4 или 5 ч. Стабильность в динамических условиях оцени­ вают по величине перепада давления в фильтре при прокачке на­ гретого до 150-180°С топлива в течение 5 ч или по образованию осадков в нагревателе (в баллах).

Повышение термоокислительной стабильности реактивных топ­ лив обеспечивают технологическими методами (гидроочисткой) и введением специальных присадок (антиокислительных, диспер­ гирующих или полифункциональных).

Коррозионная активность реактивных топлив. Она оценивает­ ся, как и для топлив поршневых ДВС, следующими показателями: содержанием общей серы, в т.ч. сероводорода и меркаптановой серы, содержанием водорастворимых кислот и щелочей, кислотностью и испытанием на медной пластинке. В соответствии с ГОСТом в реак­ тивном топливе ограничивается: содержание общей серы для Т-6<0,05 %, для Т-1 и РТ<0,1 % и ТС-1 и Т-2<0,25 % масс., меркаптановой серы для Т-6 отсутствие, РТ<0,001, для ТС-1 и Т-2< 0,005% масс.; кислотность для Т-6<0,5 и для остальных марок <0,7 мг КОН/ЮО мл. В топливах должны отсутствовать сероводород, водорастворимые кислоты и щелочи, и они должны выдерживать испытание на мед­ ной пластинке (при 100°С в течение 3 ч).

Марки реактивных топлив. Отечественными стандартами пре­ дусматривается возможность производства реактивных топлив

149

4 марок для дозвуковой авиации (Т-1, ТС-1, Т-2 и РТ) и одна марка для сверхзвуковых самолетов - Т-6 (табл. 4.6). Топливо Т-1 - это прямогонная керосиновая фракция (150280°С) малосернистых неф­ тей. Выпускают его в очень малых количествах. Т-2 - топливо широ­ кого фракционного состава (60 - 280°С), признано резервным и в настоящее время не вырабатывается. Наиболее массовыми топлива­ ми для дозвуковой авиации являются ТС-1 и РТ. Топливо ТС-1 - прямогонная фракция 150 - 250°С сернистых нефтей. Отличается от Т-1 более легким фракционным составом. Топливо РТ разработано взамен Т-1 и ТС-1. В процессе его производства прямогонные дис­ тилляты (135 - 280°С) подвергают гидроочистке. Для улучшения эксплуатационных свойств в топливо РТ вводятся присадки противоизносные марки П (0,002-0,004% масс.), антиокислительная (ионол 0,003-0,004% масс.), антистатические и антиводокристаллизирующие типа тетрагидрофурфуролового спирта (ТГФ).

Реактивное топливо для сверхзвуковой авиации Т-6 представлят собой глубокогидроочищенную утяжеленную керосино-газойле- вую фракцию (195-315°С) прямой перегонки нефти. У топлива низ­ кое содержание серы, смол, ароматических углеводородов (до 10% масс., а фактическое - 3 - 7% масс.), высокая термическая стабиль­ ность, хорошо прокачивается, малокоррозийно и используется на самолетах, имеющих скорости полета до 3,5 М.

Отечественные реактивные топлива по качеству не уступают зарубежным маркам топлив, например, ДЖ ЕТА (А-1) и УР-5, а по некоторым показателям превосходят их.

ii«;

4.4. Основные требования к качеству энергетических топлив и их марки

4.4.1. Газотурбинные топлива

Газотурбинные двигатели (ГТД) обладают рядом таких пре­ имуществ перед поршневыми, как малые габариты и меньшая мас­ са на единицу мощности, быстрый запуск и простота управления, малая потребность в охлаждающ ей воде, высокая надежность, возможность работать на дешевых нефтяных топливах, а также на топливах любого вида (газообразном, жидком и даже в пыле­ видном твердом). Эти достоинства ГТД обусловили достаточно

150