Плотность

Под плотностью понимается отношение массы топлива при + 20 °С к массе воды при + 4 °С, занимающей тот же объем. За рубежом плотность принято оценивать при 15 °С. Плотность, заданную при стандартной температуре 20 °С, пересчитывают к плотности при температуре I по формуле

где коэффициент k следует принимать: k = 0,7 при ; k= 0,6 при ; и k = 0,5 при

Плотность, так же как и вязкость, является косвенной характеристикой качества топлив. Топлива большей плотности содержат большее количество углеводородов с более высоким соотношением С/Н, поэтому для них характерны большие значения коксового числа и содержания асфальтенов. Маловязкие дистиллятные топлива имеют плотность 830 - 890 кг/м³, плотность средне- и высоковязких топлив обычно лежит в пределах 920 - 990 кг/м³, но у топлив, получаемых из крекинг-остатков, может достигать 1040 кг/м³. Высокая плотность, соразмеренная с плотностью загрязняющих их примесей, затрудняет очистку топлив в центробежных сепараторах.

Температура вспышки. Наинизшая температура, при которой нагреваемое топливо испаряется и образующиеся пары, перемеши ваясь с воздухом, создают смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени, есть температура вспышки. Она зависит от температуры кипения, испаряемости и упругости паров топлива и определяет его пожарную безопасность. Регистр СССР допускает использование на судах топлив, температура вспышки которых в закрытом тигле не ниже 61 °С. Тяжелые остаточные топлива в отличие от дизельного обладают худшей испаряемостью, поэтому их температура вспышки выше (обычно 75 - 85 °С).

Температура застывания. Вязкость при изменении температуры зависит от качества сырой нефти, метода получения составляющих топливо компонентов, содержания в них парафина и смолистых веществ и др. Вязкость и текучесть топлив, как и смазочных масел, может изменяться вследствие либо загустевания, либо застывания. Явления эти различны. При загустевании повышается вязкость некристаллизующихся углеводородов топлива. С понижением температуры вязкость нефтепродукта увеличивается тем сильнее, чем выше температурный коэффициент вязкости основной части углеводородов, входящих в состав топлива. Застывание же топлива является результатом кристаллизации содержащихся в нем высокоплавких, главным образом парафиновых углеводородов. Они создают кристаллический каркас (структуру), прекращающий или затрудняющий перемещение жидкой фазы. Опыты по измерению текучести котельных мазутов показали, что вязкость крекинг-мазута при понижении температуры увеличивается сильнее, чем парафинистого мазута. Застывание топлива представляет большую опасность, чем загустевание, поэтому в спецификациях на топлива обычно задается температура застывания, представляющая собой температуру, при которой топливо перестает течь, теряет подвижность вследствие кристаллизации парафиновых соединений. Температура застывания отечественных топлив лежит в пределах от - 5 до + 10 °С. У отдельных топлив тяжелых сортов с высоким содержанием парафинов t_заст может достигать +30 °С. Для предотвращения застывания топливо следует подогревать в танках запаса и на всем пути следования к двигателю или котлу по крайней мере на 10 °С выше t_заст

Содержание серы. В топливах содержание серы и ее соединений неуклонно растет. Это связано с истощением запасов малосернистых нефтей и более глубокой переработкой нефти, в результате которой в остаточных фракциях, идущих на приготовление топлив, концентрируются сера и ее высокомолекулярные органические соединения тем в больших количествах, чем глубже процесс нефтепереработки и чем меньше остаток. В топливах содержатся элементарная сера, сероводород, высокомолекулярные органические серы, а также низкомолекулярные соединения - меркаптаны сульфиды и дисульфиды. Особенно агрессивны в жидкой фазе меркаптаны, вызывающие коррозию топливной аппаратуры, трубопроводов и емкостей. Интенсивность коррозионных процессов усиливается при попадании в топливо морской воды. Малая молекулярная масса и низкая температура кипения меркаптанов обуслов ливают их преимущественное присутствие в дистиллятных фракциях и малое содержание в тяжелых топливах. Этим объясняются меньшие износ и коррозия топливной аппаратуры при работе дизелей на тяжелых топливах по сравнению с работой на дизельном топливе.

Основу серосодержащих продуктов в тяжелых топливах составляет элементарная сера, которая при сгорании в цилиндрах приносит наибольший вред двигателю. При горении топлива сера окисляется до сернистого ангидрида SО₂, часть которого в ходе дальнейшего окисления переходит в SО₃. Водяные пары, находящиеся в продуктах сгорания топлива, насыщаются серным ангидридом; последний, попадая на стенки цилиндра и охлаждаясь, может конденсироваться на них. Температура конденсации зависит от количества серы в топливе и давления в цилиндре. Пары воды также конденсируются на стенках, что способствует образованию слабого раствора серной кислоты, в среде которой наиболее активно протекают процессы электрохимической коррозии металла цилиндров и поршневых колец.

Для уменьшения вызываемого коррозией износа цилиндров рекомендуется поддерживать температуру их стенок на уровне, превышающем температуру точек росы Н₂SО₄ и Н₂О. Другой путь заключается в нейтрализации кислых соединений на стенках применением масел с высоким щелочным числом.

Содержание серы в судовых топливах неуклонно повышается и достигает 3 - 4 %, в будущем не исключается поставка топлива с ее содержанием до 5 %.

Содержание кокса и асфальто-смолистых веществ. Коксовое число является характеристикой нагарообразующей способности топлив и масел, определяют его в аппарате Конрадсона по сухому остатку (кокса) в пробе при нагревании без доступа воздуха. Дистиллятные топлива содержат относительно небольшие количества асфальтосмолистых веществ, их коксовое число не превышает 3 %. Тяжелые топлива и особенно топлива, получаемые из крекинг-продуктов, содержат значительные количества ароматических и непредельных углеводородов и продуктов их окисления - смол и асфальтенов. В силу этого обстоятельства коксовое число тяжелых топлив достигает 10 -12 % и ожидается, что в недалеком будущем оно возрастет до 18 - 20 %.

Входящие в состав остаточных топлив асфальтосмолистые вещества представляют собой высокомолекулярные соединения с большим отношением С/Н. К их числу в первую очередь относятся смолы, находящиеся в топливе в виде либо раствора, либо коллоидной системы. Во время окисления при высоких температурах большая часть смол сгорает, а наиболее тяжелые переходят в полутвердые или твердые высокомолекулярные соединения - асфпль-тены. В топливе асфальтены содержатся в виде коллоидного раствора. Они относятся к наиболее высокомолекулярным соединениям нефти, их плотность 1160 кг/м³, молекулярная масса равна 2000, температура плавления составляет 200 °С. В процессе сгорания асфальтены переходят в еще более высокомолекулярные насыщенные углеродом твердые вещества - карбены и карбоиды, составляющие основу кокса и нагаров.

Топлива с большим содержанием кокса и асфальтенов обладают высокой нагарообразующей способностью. Наличие в топливах асфальтенов сопряжено с увеличением продолжительности их сгорания, что отрицательно сказывается на мощности, экономичности двигателя и росте тепловых нагрузок. Рекомендуется, чтобы содержание асфальтенов не превышала ²/₃ коксового числа топлива.

Содержание механических примесей. Механические примеси в топливах состоят из частиц органического (карбены и карбоиды) и неорганического (в составе золы) происхождения. Как те, так и другие вызывают абразивный износ деталей топливной аппаратуры и ЦПГ, поэтому механические примеси в дизельных топливах не допускаются, а в тяжелых топливах не должны превышать 0,1 - 0,2 %, однако в действительности в бункерном топливе они могут быть в большем количестве. Важно ограничивать не только содержание механических примесей, но и размер их частиц таким образом, чтобы он по возможности не выходил за пределы кольцевого зазора в прецизионных элементах топливных насосов и форсунок (4 - 7 мкм). Это обстоятельство следует учитывать при очистке топлив в судовых системах топливоподготовки.

Содержание золы. Зола представляет собой сухой остаток, образующийся при сгорании топлива. Она состоит из минеральных примесей и солей, попадающих в топливо в процессе добычи, переработки и транспортирования. С утяжелением фракционного состава зольность увеличивается и в котельных мазутах может достигать 0,2 %. Большую часть зольных элементов удаляют при отстаивании и сепарации топлива. Если при сепарации топливо промывают горячей водой, то удается избавиться от водорастворимых составляющих золы (солей Nа, К, Са). Меньшую, практически неудаляемую группу составляют различные соединения металлов, находящиеся в растворенном или коллоидном состоянии (соединения кремния, окиси железа) и вызывающие абразивный износ прецизионных элементов топливной аппаратуры, сопловых отверстий форсунок, цилиндров.

Присутствующие в золе тяжелых топлив некоторых сортов соединения ванадия V₂О₅ и натрия Nа₂SО₄ являются наиболее агрессивными составляющими; они приводят к коррозии деталей ЦПГ, турбонагнетателей, выпускных клапанов, поверхностей труб и котлов. Содержание золы в топливах находится на уровне 0,04 - 0,1 %, однако в тяжелых топливах оно может достигать 0,12 - 0,2 %.

Содержание алюминия. Процесс каталитического крекинга нефтяных остатков, служащий для дополнительного извлечения топлив, широко распространен. В этом процессе в качестве катализаторов используют соединения алюминия и кремния А1₂О₃ и SiO₂, попадающие в небольших количествах в крекинг-остатки при изготовлении тяжелых топлив. Присутствие катализаторной мелочи в топливах в малых количествах не представляет серьезной опасности для двигателей. Однако технология процесса каталитического крекинга такова, что не исключена возможность прорыва катализатора в остаточный продукт, применяемый при изготовлении тяжелых топлив. К сожалению, подобные случаи происходят, и на суда поступают топлива с высоким содержанием алюмосиликатов.

Размер гранул катализатора 40 - 100 (160) мкм, но в топливо попадает катализаторная мелочь, основная масса которой состоит из частиц размером 10 мкм и менее. Благодаря пористому характеру (удельная поверхность 250 - 400 м²/г) плотность частиц невелика и соразмерна с плотностью топлива, что затрудняет их удаление из топлива путем отстаивания или центробежной сепарации. Катализаторная пыль обладает абразивными свойствами, поэтому ее попадание с топливом в двигатель вызывает катастрофические износы топливной аппаратуры, цилиндров, поршней и поршневых колец. Скорость изнашивания увеличивается в 100 раз и более. Избежать столь опасных для двигателя явлений можно лишь путем исключения использования топлив с высоким содержанием катализаторной пыли. Это потребовало контроля за ее присутствием в топливах. В качестве индикатора используют содержание в топливе алюминия, которое не должно превышать 30 млн-¹ (°/оо).

Содержание ванадия. Ванадий в топливе находится в виде растворимых соединений, поэтому освободиться от него с помощью традиционных методов топливообработки на судне невозможно. Образующиеся при сгорании топлива соединения ванадия совместно с соединениями натрия вызывают высокотемпературную коррозию турбонагнетателей, выпускных клапанов, деталей ЦПГ (натрий в топливо обычно попадает при обводнении его морской водой).

Не следует забывать также о вредном действии, оказываемом ванадием на процессы сернистой коррозии в цилиндрах двигателя. Здесь ванадий выступает в роли катализатора реакции окисления SО₂ в SО₃. В результате в цилиндрах больше образуется серной кислоты, являющейся электролитом в электрохимической коррозии ЦПГ. Учитывая изложенное, двигателестроительные фирмы вводят ограничения на содержание в топливах ванадия и натрия. Особенно жесткие требования к содержанию ванадия предъявляются к топливам для четырехтактных дизелей, тfк как их выпускные клапаны особенно чувствительны к Nа - V-коррозии. До недавнего времени ограничения по содержанию ванадия определялись 100 - 200 млн-¹ для четырехтактных двигателей и 300 млн ^-1 для двухтактных малооборотных. В новых спецификациях* на топлива предусмотрена возможность увеличения содержания в них ванадия до 400—500 млн-¹, что потребует разработки более эф фективных мер борьбы с Nа - V-коррозией, в частности применения высокоэффективных присадок к топливам.

Содержание воды. Государственными стандартами и зарубежными спецификациями на топлива содержание воды в дизельных топливах не допускается либо не должно превышать 0,25 %. В тяжелых топливах содержание воды не должно превышать 1 -1,5 %, а в котельных мазутах, прошедших водные перевозки или слитых при подогреве острым паром, - 2% (для Ф5 и Ф12) и 5 % (для мазутов 40 и 40В). В топливе, находящемся на судне, фактическое содержание воды обычно превышает его паспортное значение. Объясняется это дальнейшим обводнением топлива в процессе бункеровки и хранения на судне.

Вода в топливо попадает вследствие конденсации влаги на стенках цистерн, протечек в паровых обогревательных змеевиках, через вентиляционные и измерительные трубы. Отстаивание топлива способствует сокращению содержания в нем воды, но эффективность отстаивания непостоянная и зависит от многих факторов: времени отстаивания, вязкости и плотности топлива, температуры, размера частиц воды, конфигурации танка, движения судна (качка). Наличие воды в топливе (в виде простой взвеси или эмульсии) усиливает коррозионную активность топлива, особенно если оно содержит серу и ее соединения.

Теплота сгорания. Количество теплоты, которая выделяется при полном сгорании 1 кг или 1 м³ топлива, называется теплотой сгорания. В Международной системе единиц за единицу количество теплоты принят джоуль, поэтому теплота сгорания выражается в единицах Дж/кг или кДж/кг. Ранее было принято теплоту сгорания выражать в единице ккал/кг. Напомним, что 1 ккал = = 4,187 кДж. Различают высшую и низшую теплоту сгорания. При определении низшей теплоты сгорания Q_н как известно, не учитывается теплота, возвращаемая при конденсации влаги топлива и влаги, полученной при сжигании водорода топлива. Этим объясняется, что в практических расчетах используется Q_н.

Если известен элементарный состав топлива, его теплота сгорания может быть подсчитана по известной формуле Д. И. Менделеева

Более удобной для практических целей является эмпирическая формула

где

- плотность топлива при 15 °С, кг/м³; х, у, S - массовые содержания воды, золы и серы, %/100.

Теплота сгорания нефтяных топлив лежит в пределах 42 900 - 38 500 кДж/кг. С увеличением вязкости и плотности топлива теплота сгорания снижается. Наибольшей теплотой сгорания обладают парафиновые углеводороды, а наименьшей - ароматические. Поэтому и наибольшие значения Q_н „ присущи дизельным топливам, полученным из парафинистых нефтей, а наименьшие - высоковязким остаточным топливам с высоким содержанием ароматиков.

Влияние отдельных показателей высоковязких топлив на техническое состояние двигателя в систематизированном виде представлено в табл. 1.2.

Показатель топлива	Последствия влияния	Способ устранения
Плотность более 900 кг/м²	Сепарирование воды от топлива близко к критическому, в результате усиленный износ ЦПГ, ТПА появление в ней задиров.	Новые методы сепарирования с добавлением MgSO₄, обязательное использование кларификатора, гомогенизирование топливадля диспергирования воды.
Вязкость более 10-15 мм²/с	При низких температурах –ухудшение распыливания, затянутое сгорание и рост тепловых нагрузок на детали ЦПГ, рост давлений и механических напряжений в ТНВД, форсунках и топливопроводах, их повреждение, забивание фильтров.	Подогрев топлива при котором его вязкость должна быть при перекачивании < 750 мм²/с, перед двигателем 10-15 мм²/с
Содержание % (более) серы-3,5	Низкотемпературная коррозия цилиндров, колец и канавок поршней. Штоков клапанов, интенсивное окисление масла в картере и коррозия вкладышей подшипников.	Подбор масел с необходимым общим щелочным числом, поддержание температур поверхности ЦПГ выше точки росы.
кокса -15	Интенсивное нагарообразование в ЦПГ (абразивный износ), ухудшение продувки и наполнения цилиндров ввиду закоксовывания окон и загрязнения выпускного тракта и ТК, дымный выпуск, заедание штоков выпускных клапанов.	Улучшение очистки топлива, использование ВТЭ, повышение t масла и воды на малых нагрузках, использование присадок, промывка не менее 1 раза в 3-4 дня, проверка перемещения выпускных клапанов.
асфальтенеов-10	Замедленное сгорание, дымный выпуск, шламообразование, потеря стабильности и проявление несовместимости топлив, и как следствие интенсивное загрязнение фильтров, сепараторов.	Изменение фаз топливоподачи и давления впрыска, гомогенизирование топлива, повышение температур надувочного воздуха на малых нагрузках, применения присадок.
ванвдия-натрия (V-более млн^-1)	Высокотемпературная коррозия выпускных клапанов, поршней, ТК.	Интенсивное охлаждение клапанов, промывка топлива при сепарировании для удаления Na, предотвращение попадания забортной воды, применения присадок, периодическая промывка компрессоров, воздухоохладителей, поддержание более низкой температуры газов.
золы Al, Si	Интенсивное изнашивание ТПА, цилиндров, колец.	Очистка топлива двукратным сепарированием, при производительности 15-20% и максимальном подогреве.
воды 0б3	Коррозионный износ плунжерных пар и распылителей, их заклинивание и повреждение, затруднения при пуске дизеля.	При r_Т<990 сепарацию вести в режиме пурификации, при r_Т >990 использовать гомогенизацию и работать на ВТЭ
Самовоспламеняемость топлива (низкие ЦЧ, ДИ. Высокое ССА1)	Ухудшение пуска, жесткая работа и повреждение подшипников.	Увеличение температуры топлива и воздуха на малых нагрузках, использование присадок.
Несовместимость	Нестабильность топливных смесей: шламообразование, загрязнение фильтров, сепараторов, ззакоксовывании распылителей, заклинивание плунжерных пар и распылителей.	Избежание смешивания топлив, оптимизация состава смеси ее диспергирование.

Рис. 1.3 Развитие процесса самовоспламенения и сгорания при