Жидкое дистиллированное топливо

 

Дистиллированное жидкое топливо производят в настоящее время почти исключительно путем переработки нефти. Более сложными и дорогими путями его можно получить из сланцев и других видов твердого топлива. Нефтяные дистилляты в основном используют в качестве моторного топлива. Но наряду с этим, в США, ФРГ и некоторых других странах дистиллированное жидкое топливо применяют для отопления жилищ.

Топливо для поршневых двигателей с искровым зажиганием. В поршневых двигателях с искровым зажиганием распыленное жидкое топливо смешивают в карбюраторе с воздухом, сжимают топливно-воздушную смесь и воспламеняют ее от искры. Поршневые двигатели с искровым зажиганием являются основным типом автомобильных двигателей и широко применяются в авиации. Бензин, используемый в качестве топлива в двигателях этого типа, должен начинать испаряться при низкой температуре, не превышающей 200-205ºС. Экономичность работы поршневых двигателей с искровым зажиганием в большой степени зависит от допускаемой степени сжатия топливно-воздушной смеси, лимитируемой возможностью самовоспламенения сжатой смеси и возникновения детонационного горения. Поэтому бензин, применяемый для автомобильных и в особенности для авиационных двигателей, должен обладать сравнительно высокой температурой самовоспламенения и антидетонационной стойкостью.

Антидетонационная стойкость бензина в большой степени зависит от его компонентного состава. Температура самовоспламенения и антидетонационная стойкость углеводородов снижается с увеличением длины цепочки углеводородных атомов, состоящей из групп CH₂, и возрастает с увеличением числа групп CH₃, а также при циклическом строении углеводородов и в особенности при наличии в них бензольных ядер. Так, температура самовоспламенения метана в воздухе при атмосферном давлении превышает 650ºС, а температура воспламенения октана составляет около 270ºС. Весьма высокой температурой воспламенения (выше 700ºС) обладает бензол. В соответствии с этим минимальной антидетонационной стойкостью в условиях использования в карбюраторных двигателях обладают парафиновые углеводороды нормального строения с числом атомов углерода в молекуле более шести. Значительно большей антидетонационной стойкостью характеризуются парафиновые углеводороды разветвленного строения с повышенным числом групп CH₃ и ароматические углеводороды. Нафтеновые углеводороды (цикланы) занимают промежуточное положение. Их антидетонационная стойкость выше, чем алканов нормального строения с равным числом атомов углерода в молекуле, но ниже, чем изопарафиновых и ароматических. Для сопоставления и оценки антидетонационной стойкости различных углеводородов и моторного топлива введена характеристика октановое число. При введении этой характеристики за нуль принята антидетонационная стойкость нормального гептана (C₇H₁₆) в молекуле:

 

CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₃,

 

а за сто - стойкость изооктана (C₈H₁₈) следующего строения

 

 

              СН₃CH₃

                |               |

    CH₃ ― С ― CH₂ ― СН ― CH₃

                |

              CH₃

 

Если октановое число углеводорода или моторного топлива равно, например,70, то это означает, что его антидетонационная стойкость соответствует смеси, состоящей из 70% изооктана и 30% нормального гептана.

Компонентный состав бензина в большой степени зависит от метода его производства. Авиационные бензины с высоким содержанием изопарафиновых и ароматических углеводородов и малым содержанием недостаточно стойких непредельных углеводородов получают на базе бензинов прямой гонки, очищенных бензинов каталитического крекинга и риформинга с добавлением высокооктановых продуктов алкилирования. Октановое число авиационных бензинов достигает 100. Автомобильные бензины с октановым числом порядка 70-80 получают на базе продуктов термического и каталитического крекинга и риформинга. При этом в автомобильных бензинах содержится 20-30% непредельных углеводородов. Октановое число повышают путем введения антидетонационных присадок, содержащих тетраэтилсвинец [Pb (C₂H₅)₄](этилированный бензин).

Во избежание коррозии двигателей в бензине должно содержаться минимальное количество серы (в авиационном бензине до 0,05%, в автомобильном – до 0,15%).

Топливо для реактивных двигателей. В реактивных двигателях применяют несколько более тяжелое жидкое топливо, соответствующее по пределам выкипания керосину (топливо Т-1 и ТС-1), а также топливо расширенного состава, включающее бензиновые фракции Т-2, и несколько утяжеленное жидкое топливо Т-5 и термостабильное Т-6 и Т-7. Топливо рассматриваемых видов начинает кипеть при более высокой температуре, чем бензин, и выкипает при 250-315ºС.

Топливо для дизелей. В качестве топлива для автотранспортных и быстроходных дизелей используют тяжелые дистилляты, выкипающие при температуре до 350ºС. Для тихоходных дизелей можно применять также легкий мазут, получаемый после отгонки из нефти бензинового, керосинового и газойлевого дистиллятов. В дизелях, в отличие от карбюраторных двигателей, не применяют искровое зажигание, и топливно-воздушная смесь зажигается вследствие самовоспламенения при сжатии. Поэтому для дизелей целесообразно использовать топливо со сравнительно низкой температурой самовоспламенения, т.е. углеводороды того строения, которое является наименее желательным при использовании топлива в карбюраторных двигателях с искровым зажиганием. Иными словами, для дизелей оптимальным горючим являются парафины нормального строения с большим числом групп CH₂ , а также циклические и ароматические углеводороды с большими боковыми парафиновыми цепями и соответственно большим числом групп CH₂. Оптимальные для применения в карбюраторных двигателях изопарафиновые углеводороды разветвленного строения и ароматические углеводороды мало пригодны для использования в дизелях.

В качестве эталона для оценки дизельного топлива используют цетан, т.е. алкан нормального строения с 16 атомами углерода и 14 группами CH₂ в молекуле CH₃ – (CH₂)₁₄ – CH₃, и вводят термин цетановое число. Цетановое число нормального цетана равно 100, а цетановое число самовоспламеняющегося при высокой температуре ароматического углеводорода метилнафталина C₁₁H₁₀ принимают равными нулю.

Тяжелые дистилляты, используемые в качестве дизельного топлива, содержат несколько меньше водорода по сравнению с бензином и керосином и обладают в соответствии с этим более низкой теплотой сгорания.

 

Мазут

 

Мазут, или нефтяные остатки, получаемые в процессе переработки нефти, применяют для отопления паровых котлов и промышленных печей.

В мазут переходит бóльшая часть нефтяной смолы, содержащейся в сырой нефти. Содержание водорода в мазуте ниже, чем в сырой нефти, а углерода выше. Мазут характеризуется большей сернистостью, чем сырая исходная нефть. Значительно выше также плотность и вязкость мазута, что вызывает необходимость его разогрева и осложняет применение мазута в небольших установках.

Нефтеперерабатывающая промышленность производит следующие сорта мазута.

Мазут флотский, предназначен для судовых котлов, а также газовых турбин и двигателей. Он представляет собой смесь собственно мазута, т.е. нефтяных остатков, с нефтяными дистиллятами. Вследствие этого его плотность и вязкость значительно ниже, чем у других сортов мазута.

Флотский мазут марки Ф5 характеризуется условной вязкостью*, которая при температуре 50 ºС не превышает 5ºВУ. Он состоит из 60-70% мазута, получаемого при прямой перегонке сернистой нефти, и 30-40% газойля прямой перегонки. По ГОСТ в этот мазут допускается добавление до 22% керосино-газойлевых фракций каталитического или термического крекинга. Сернистость мазута Ф5 ограничивается довольно высоким пределом – 2%.

Флотский мазут марки Ф12 имеет условную вязкость не более 12º ВУ при температуре 50ºС. В ее состав входит 60-70% мазута, получаемого в процессе прямой перегонки малосернистой нефти, 10-12% газойлевых фракций (черного солярового масла) и 20-30% крекинг-остатков.

Мазут топочный (котельное топливо) состоит из тяжелых крекинг-остатков, иногда в смеси с мазутом, получаемым в процессе прямой перегонки нефти. Он выпускается трех марок – М 40, М 100 и М 200.

Элементарный состав горючей массы зависит в основном от соотношения в нем углерода и водорода, определяемого глубиной переработки нефти и содержанием в нем серы.

Топочный мазут марки М 40 характеризуется условной вязкостью не более 40ºВУ при температуре 50ºС, что соответствует 8ºВУ при 80ºС. Определение при этой температуре является более удобным для оценки вязкого топлива и оно включено в ГОСТ.

Мазут средней вязкости марки М 40 предназначен для использования в судовых котлах, небольших котельных установках и в промышленных печах.

Топочный мазут марки М 100 должен обладать условной вязкостью не более 100º ВУ при температуре 50ºС (15,5ºВУ при 80ºС). Этот мазут предназначен в основном для сжигания в крупных стационарных котлах. Наиболее вязкий мазут марки М 200 с условной вязкостью 200ºВУ при 50ºС (6,5-9,5ºВУ при 100ºС) поставляют только крупным потребителям по трубопроводам непосредственно с нефтеперерабатывающих заводов.

Содержание серы в малосернистом топочном мазуте по ГОСТ не должно превышать 0,5%, в сернистом – 2,0% и высокосернистом – 3,5%. Для мазутов, производимых из некоторых высокосернистых нефтей, допускается содержание серы до 4,3%.

Топливо для мартеновских печей марки МП по своим характеристикам близко к малосернистому топочному мазуту марки М 100.

Содержание в мазуте минеральной массы, образующей при сгорании золу, составляет всего 0,1-0,4%. Однако, несмотря на малое ее содержание, она существенно сказывается на характеристиках мазута. Зола отлагается на поверхностях нагрева котлов, уменьшает теплопередачу, что снижает КПД вследствие повышения температуры уходящих газов.

Содержание в мазуте воды заметно сказывается на его теплоте сгорания. Каждый процент влаги снижает теплоту сгорания примерно на 419 кДж, из которых около 394 кДж обусловлено уменьшением содержания горючей массы и 25 кДж – расходом тепла на испарение 1% воды.

Наличие влаги затрудняет сжигание мазута вследствие образования пробок воды, прерывающих равномерную подачу топлива к форсункам и осложняющих эксплуатацию котлов. При отстаивании мазута происходит отделение влаги, однако в тяжелых и вязких мазутах это отделение осуществляется с большими трудностями. Поэтому было предложено мазут с высоким содержанием влаги сжигать в виде мазутно-водяной эмульсии, создаваемой путем перемешивания мазута с водой острым паром или пропускания обводненного мазута через эмульгаторы.

По ГОСТ содержание воды в мазуте ограничивается 1-2%. Однако при водном транспорте мазута и его разогреве острым паром в топочном мазуте марок М 40 и М 100, а также в топливе для мартеновских печей допускается содержание влаги до 5%.

Содержание механических примесей во флотском мазуте не должно превышать 0,1-0,15%, в топочном мазуте марки М 40 – 1% и в мазуте прочих марок – 2,5%.