Топочные мазуты представляют собой одну из основных разновидностей тяжелого жидкого топлива, включающего также флотский мазут и мазут — топливо мартеновских печей (печное топливо). Котельные топлива применяют в стационарных паровых котлах, в промышленных печах. Тяжелые моторные и судовые топлива используют в судовых энергетических установках.
Топочные мазуты, как и другие виды жидкого нефтяного топлива, получают на нефтеперерабатывающих заводах, либо в процессе прямой перегонки нефти, либо при высокотемпературной переработке ее промежуточных фракций (крекинг-процессе). По способу производства различают прямогонные мазуты и крекинг-мазуты.
Прямогонный мазут представляет собой смесь тяжелых нефтяных остатков прямой перегонки нефти с ее маловязкими фракциями. Подмешивание дистиллятов к тяжелому остатку необходимо для поддержания вязкости мазута в пределах требований стандарта.
Крекинг-мазут представляет собой тяжелый высоковязкий остаток крекинг-процесса.
К котельным топливам относят топочные мазуты марок 40 и 100, вырабатываемые по ГОСТ 10585—75 (в М-40 для снижения температуры застывания до 10 0С добавляют 8—15 % среднедистиллятных фракций, в М-100 дизельные фракции не добавляют), к тяжелым моторным топливам — флотские мазуты Ф-5 и Ф-12 —по ГОСТ 10585—75 (табл. 5.9), моторные топлива ДТ и ДМ — по ГОСТ 1667—68.
К судовым топливам относят дистиллятное топливо ТМС по ТУ 38.101567-87 и остаточные топлива СВТ, СВЛ, СВС по ТУ 38.1011314-90.
Таблица 5.9. - Требования к качеству топочного мазута (ГОСТ 10585—75)
| Показатель | Марка мазута | |||
| Ф-5 | Ф-12 | |||
| Вязкость при 50 оС, не более: | ||||
| условная, °ВУ | 5,0 | 12,0 | - | - |
| кинематическая, мм2/с | 36,2 | 89,0 | - | - |
| Вязкость при 80 °С, не более: | ||||
| условная, °ВУ | - | - | 8,0 | 16,0 |
| кинематическая, мм2/с | - | - | 59,8 | 118,0 |
| Вязкость динамическая при 0 °С, Па • с, не более | 2,7 | - | - | - |
| Зольность, % (масс.), не более | 0,05 | 0,10 | 0,12 | 0,14 |
| Содержание мех. примесей, % (масс.), не более | 0,10 | 0,12 | 0,5 | 1,0 |
| Содержание воды, % (масс.), не более | 0,3 | 0,3 | 1,0 | 1,0 |
| Содержание водорастворимых кислот и щелочей | Отсутств. | Отсутств. | Отсутств. | Отсутств. |
| Содержание серы, %, не более: | ||||
| малосернистый мазут | - | 0,6 | 1,0 | 1,0 |
| сернистый мазут | 2,0 | - | 2,0 | 2,0 |
| высокосернистый мазут | - | - | 3,5 | 3,5 |
| Коксуемость, % (масс.) | 6,0 | - | - | - |
| Содержание смолистых веществ, % (масс.), не более | - | - | ||
| Содержание сероводорода | Отсутств. | - | Не нормир | Не нормир |
| Температура вспышки, °С, не ниже: | ||||
| в закрытом тигле | - | - | ||
| в открытом тигле | - | - | ||
| Температура застывания, °С, не выше: | —5 | —5 | ||
| мазута из высокопарафинистых нефтей | - | - | ||
| Теплота сгорания низшая в пересчете на сухое топливо, кДж/кг, не менее: | ||||
| малосернистого и сернистого мазутов | ||||
| высокосернистого мазута | - | - | ||
| Плотность при 20 °С, кг/м3, не более | - | - |
Флотский мазут марки Ф-5 получают смешением продуктов прямой перегонки нефти: 60—70 % прямогонного мазута и 30—40 % дизельного топлива с добавлением депрессорной присадки. Допускается использование в его составе до 22 % керосиново-газойлевых фракций вторичных процессов, в том числе легкого газойля каталитического и термического крекинга.
В небольшом количестве в качестве жидкого котельного топлива используются остатки перегонки смол, получаемых при термической переработке углей и горючих сланцев (угольные и сланцевые мазуты).
Кроме флотских и топочных мазутов промышленность выпускает технологическое экспортное топливо по ТУ 38. 001361—87. Это топливо изготовляют только из продуктов прямой перегонки нефти.
Для судовых энергетических установок вырабатывают несколько видов топлив, в том числе моторное топливо по ГОСТ 1667—68, судовое маловязкое топливо по ТУ 38.101567—87 и судовое высоковязкое топливо по ТУ 38.1011314-90.
Для газотурбинных установок получают нефтяное топливо из дистиллятов вторичных процессов и прямой перегонки нефти путем компаундирования легких газойлей коксования, каталитического крекинга и прямогонных фракций дизельного топлива (180—420 °С). В газотурбинном топливе строго ограничивается содержание ванадия и серы (табл. 5.10). Наличие ванадия приводит к высокотемпературной ванадиевой коррозии лопаток газовой турбины, а сера усиливает ванадиевую коррозию железных сплавов.
По ГОСТ 10433—75 вырабатывают две марки топлива: топливо марки А (для пиковых энергетических установок) и марки Б (для судовых и других газотурбинных установок).
Таблица 5.10. - Требования к качеству топлива для газотурбинных установок (ГОСТ 10433-75)
| Показатель | Марка | топлива |
| А | Б | |
| Условная вязкость при 50 °С, °ВУ, не более | 1,6 | 3,0 |
| Теплота сгорания низшая, кДж/кг, не менее | ||
| Зольность, % (масс.), не более | 0,01 | 0,01 |
| Содержание, % (масс.), не более: | ||
| Ванадия | 0,00005 | 0,0004 |
| суммы натрия и калия | 0,0002 | — |
| кальция | 0,0004 | — |
| серы | 1,8 | 2,5 |
| мех. примесей | 0,02 | 0,03 |
| воды | 0,1 | 0,5 |
| Коксуемость, % (масс.), не более | 0,2 | 0,5 |
| Температура, °С: | ||
| вспышки в закрытом тигле, не ниже | ||
| застывания, не выше | ||
| Йодное число, г 12/100 г топлива, не более | — | |
| Плотность при 20 °С, кг/м3, не выше | — | |
| Содержание свинца, % (масс.) | Отсутств. или < 0,0001 | -— |
| Содержание сероводорода, водорастворимых кислот и щелочей | Отсутств. | Отсутств. |
Печное бытовое топливо предназначено для сжигания в отопительных установках небольшой мощности, расположенных непосредственно в жилых помещениях, а также в теплогенераторах средней мощности, используемых в сельском хозяйстве для приготовления кормов, сушки зерна, фруктов, консервирования и других целей. По фракционному составу оно может быть несколько тяжелее дизельного топлива, в нем не нормируются цетановое и йодное числа, температура помутнения. Печное бытовое топливо может содержать до 1,1 % серы.
В северных районах страны при работе на печном топливе в зимний период наблюдается потеря текучести на линии подачи топлива в отопительные установки, а также забивка парафинами фильтров грубой очистки.
В период с 1 апреля по 1 сентября допускается производство топлива с температурой застывания не выше —5 °С.
Требования, предъявляемые к качеству котельных, тяжелых моторных, судовых, газотурбинных и печных топлив, устанавливающие условия их применения, определяются такими показателями качества, как содержание воды, механических примесей, зольность, содержание серы, вязкость, температуры застывания и вспышки, теплота сгорания.
Механические примеси засоряют фильтры и форсунки, препятствуя процессу распыления топлива. Установлены требования к массовому содержанию механических примесей: для М-40 — не более 0,5 %, М-100 — не более 1,0%. Фактически топочные мазуты вырабатывают с более низким содержанием механических примесей — до 0,2%.
Минеральные примеси в мазутах представляют собой в основном соли щелочных металлов (растворенные в воде, извлеченной из пластов вместе с нефтью), а также продукты коррозии резервуаров и трубопроводов. При сжигании мазута минеральные примеси трансформируются в оксиды, образующие большую или меньшую часть золы мазута. Другая ее часть образуется при сгорании металлорганических соединений, входящих непосредственно в состав горючей массы мазута. В состав этих соединений входят атомы металлов: ванадия, никеля, железа и др. Их содержание увеличивается в тяжелых фракциях нефти, особенно в мазуте.
Зольность топочных мазутов весьма незначительна и обычно не превышает 0,1 % (масс.).
Содержание воды в мазутах колеблется в пределах от 0,5 до 3— 5 % (масс.), а в отдельных случаях и выше (обводненные мазуты). Как правило, содержание воды в мазутах, отправляемых потребителям, не превышает норм, предусмотренных ГОСТ 10585—75 (см. табл. 5.9).
Влага в мазуте усложняет эксплуатацию мазутного хозяйства и может привести к расстройству режима горения мазута из-за возможного образования водных пробок, прерывающих равномерную подачу топлива к форсункам.
Повышенное содержание воды в сернистых мазутах помимо всего прочего увеличивает коррозионное разрушение мазутопроводов и аппаратуры вследствие растворения в воде некоторых агрессивных сернистых соединений, например сероводорода.
Сера входит в состав мазута главным образом в виде сероорганических соединений и в меньшей степени она присутствует в виде сероводорода и меркаптановой серы, поэтому коррозионная агрессивность сернистых мазутов ниже, чем сернистых светлых нефтепродуктов. Топочные мазуты подразделяются на три сорта в зависимости от содержания серы: малосернистые меньше 0,5 % (масс.), сернистые от 0,5 до 2,0 % (масс.) и высокосернистые от 2,5 до 3,5 % (масс.). Для мазутов, получаемых при переработке высокосернистых нефтей, допускается содержание серы не более 4,3 % (масс.). Содержание серы в мазутах оказывает значительное влияние на экологическое состояние воздушного бассейна. В ряде ведущих капиталистических стран в последние годы приняты ограничения по содержанию серы в мазутах до 0,5—1,0 % (масс.).
Вязкость относится к числу важнейших показателей качества для котельных и тяжелых моторных топлив, в связи с чем она положена в основу маркировки мазута. Ею определяются способы и продолжительность сливных и наливных операций, условия транспортировки топлива и эффективность работы форсунок. Вязкость влияет на скорость осаждения механических примесей при хранении, транспортировке и подогреве мазута, а также на полноту отстаивания его от воды.
При положительных температурах (50 и 80 0С) условную вязкость топлив определяют по ГОСТ 6258—85 с помощью вискозиметра ВУМ. С повышением температуры различие в вязкости маловязких и высоковязких мазутов уменьшается. Следовательно, для обеспечения необходимой вязкости температура подогрева высоковязких сернистых мазутов существенно не отличается от температуры подогрева маловязких мазутов. Вязкость не является аддитивным свойством топлива. При смешении различных котельных топлив вязкость смеси следует определять экспериментально.
Котельные и тяжелые моторные топлива являются структурированными системами. Для их характеристики, особенно при выполнении сливно-наливных операций, помимо ньютоновской вязкости необходимо учитывать реологические свойства топлив. Вязкость при низких температурах определяют по ГОСТ 1929—87 с помощью ротационного вискозиметра «Реотест».
Температура вспышки, как и температура воспламенения, позволяет судить о составе и качестве жидкого топлива и определяет требования к пожарной безопасности остаточных топлив. Использование жидких топлив с низкой температурой вспышки сопряжено с рядом трудностей: возрастает пожарная опасность, ухудшаются условия труда вследствие выделения вредных паров, возникают перебои при всасывании мазутов насосами, возможно их вспенивание при подогреве, особенно, если мазуты обводнены. Поэтому не следует нагревать мазуты до температуры, близкой к температуре вспышки. Для топлив, используемых в судовых энергетических установках, нормируется температура вспышки в закрытом тигле (> 75—80 °С), для котельных топлив — в открытом тигле (> 90—100 °С). Температура воспламенения жидкого топлива обычно ненамного превышает температуру вспышки. Для одного и того же нефтепродукта разность этих температур составляет не более 60—70 °С. Температура самовоспламенения мазутов находится в пределах 500—600 °С. В присутствии катализаторов и при обогащении воздуха кислородом температура самовоспламенения заметно снижается.
Как и вязкость, температура застывания характеризует условия слива и перекачки топлива. Этот показатель зависит от качества перерабатываемой нефти и способа получения топлива. Для топочных мазутов М-40 и М-100 температура застывания находится в пределах 22—25 0С и практически постоянна при хранении топлива. Тяжелые моторные топлива, получаемые смешением остаточных и дистиллятных фракций, довольно нестабильны, их температура застывания при хранении котельного топлива может повышаться на 4—15 °С (Ф-5, ДТ, ДМ), что очень затрудняет их применение и не позволяет гарантировать качество. Изготовитель предусматривает гарантии: по истечении трех месяцев хранения температура застывания не должна превышать установленного стандартом значения —5 °С для флотского мазута и моторного топлива. Высокой температурой застывания характеризуются мазуты прямой перегонки и крекинг-остатки (от 25 до 34 °С). Температура застывания повышается с увеличением содержания асфальтенов в топливе. Для снижения температуры застывания применяют депрессорные присадки, синтезированные на основе сополимера этилена с винилацетатом.
Теплота сгорания является важной характеристикой топлива. От нее зависит расход топлива, особенно топлив, применяемых в судовых энергетических установках, так как при заправке топливом с более высокой теплотой сгорания увеличивается дальность плавания. Теплота сгорания горючей массы мазута зависит от соотношения главных горючих элементов С и Н, а также от содержания S, О и N, являющихся своего рода внутренним балластом мазута. Стандарты на котельные топлива регламентируют низшую теплоту сгорания. Для котельных топлив она находится в пределах 39906—41454 кДж/кг при плотности 940— 970 кг/м3. Теплота сгорания высокосернистых топлив всегда ниже, чем сернистых или малосернистых. Присутствие в составе мазута нефтяных смол и асфальтенов, характеризующихся пониженным отношением Н/С и высоким содержанием серы и кислорода, снижает теплоту сгорания топлива.
Битумы
Нефтяные битумы представляют собой полутвердые и твердые продукты, состоящие из углерода и водорода, содержащие определенное количество кислород-, серо-, азотсодержащих соединений.
Применение битума как одного из наиболее известных инженерно-строительных материалов основано на его адгезионных и гидрофобных свойствах. Область применения битума достаточно широка: он применяется при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов, в резиновой промышленности, в лакокрасочной и кабельной промышленности, при строительстве зданий и сооружений и т. д. Главным же потребителем битума является дорожное строительство.
Основным сырьем для производства битумов в нашей стране являются остаточные продукты нефтепереработки: гудроны, асфальты деасфальтизации, экстракты селективной очистки масляных фракций и др.
Различают три основных способа получения нефтяных битумов.
Концентрированием нефтяных остатков путем перегонки их в вакууме получают остаточные битумы. Для получения остаточных битумов может быть использовано только сырье с большим содержанием асфальтосмолистых веществ, которые в достаточном количестве присутствуют в тяжелых высокосмолистых сернистых нефтях.
Окислением кислородом воздуха различных нефтяных остатков и их композиций при температуре 180—300 0С (окисленные битумы). Окисление воздухом позволяет существенно увеличить содержание асфальтосмолистых веществ, наиболее желательного компонента в составе битумов. Для производства окисленных битумов БашНИИНП предложено классифицировать нефти по содержанию (%, мае.) в них асфальтенов (А), смол (С) и твердых парафинов (П). Нефть считается пригодной для производства окисленных битумов, если выполняется условие
А + С - 2,5П > 0 при А + С > 6.
Смешением различных окисленных и остаточных битумов, а также нефтяных остатков и дистиллятов между собой получают компаундированные битумы.
Вязкие битумы, применяемые в дорожном покрытии, используются как вяжущее между каменными материалами. В зависимости от марки асфальта содержание битума в нем составляет 5,5—8 %. Долговечность дорожного покрытия во многом зависит от марки примененного битума и его качества. В соответствии с ГОСТ 22245—90 вязкие битумы для дорожного строительства вырабатываются двух типов: БНД и БН и маркируются по пенетрации при 25 0С (табл. 5.11).
При строительстве и ремонте дорог битум может быть разжижен растворителем (керосиновая фракция). Разжиженные битумы разделяются на быстро-, средне- и медленно затвердевающие марки. Для предварительной обработки поверхностей применяют битумные эмульсии, которые готовят с применением коллоидных мельниц, добавляя к битуму воду и эмульгаторы.