Жидкие топлива. Типы и свойства топочных (котельных) и моторных жидких топлив по ASTM - керосин, дизель и биодизель, мазуты. Типичные плотности, вязкости и высшая теплота сгорания стандартных сортов жидких топлив по ASTM.

Жидкие топлива. Типы и свойства топочных (котельных) и моторных жидких топлив по ASTM - керосин, дизель и биодизель, мазуты. Типичные плотности, вязкости и высшая теплота сгорания стандартных сортов жидких топлив по ASTM.

• Основные жидкие топлива в англо-саксонской традиции классификации (что у нас бензин, керосин, дизель, мазут etc.) делятся на различные топлива для сжигания в топках (топочные масла = fuel oils) и моторные топлива = engine fuels для использования в моторах/двигателях. По состоянию на 2021 год жидкие топлива, за редким исключением, представляют собой смеси углеводородов, получаемых при перегонке сырой нефти. Помимо углеводородов, сырая нефть содержит небольшие количества серы, кислорода, азота, ванадия и других металлов, а также воду + осадок в составе нефтяной эмульсии. Скважинная продукция = скважинная жидкость представляет собой смесь газа, нефти и воды.
• Продукты перегонки нефти это как разнообразные топлива, так и прочие продукты. Практически все легкие фракции углеводородов перерабатываются в топлива (такие как СУГ , бензин, керосин, авиатоплива (авиабензины и авиакеросины), дизельные топлива (солярки), легкие мазуты). Тяжелые фракции перерабатываются в тяжелые мазуты, топочные мазуты, масла и смазки, воски-парафины, нефтяной кокс, асфальт). Сырая нефть имеет различный молекулярный состав входящих в нее углеводородов в зависимости от месторождения. Нефти у англосаксов делятся на классы:

Нормы для классификации нефтей, предложенные Горным бюро США = United States Bureau of Mines (USBM) / существовало 1910-1995. _{Раньше открылось и позже, закрылось, чем СССР, однако :)}

После этого, на основе характеристических данных фракций нефть делят еще на семь химических классов:

• • Парафины = алканы, насыщенные углеводороды
  • Нафтены = циклоалканы, полиметиленовые углеводороды, цикланы, или циклопарафины

а также в настоящее время существует понятие ароматического и нафтено-ароматического классов нефти. Класс нефти по-настоящему влияет на выход тяжелых фракций, а выход светлых нефтепродуктов и топочных мазутов примерно одинаков у всех классов. Справочно: Классификация органических соединений. Углеводороды. Производные углеводородов.

Кинематическая вязкость в Saybolt Second (SSU=SUS) это время, необходимое для протекания (под действием гравитации) 60 мл жидкости через универсальный вискозиметр Сейболта, а мм2/с = 1 стокс - наш любимый.

• "Топочные масла" = жидкие котельные топлива, солярки, дизели и биодизель, топочные мазуты = fuel oils. Стандарт ASTM Standard D396. Очень похожи но не на 100% совпадают с моторными топливами с теми же индексами.

• Жидкие котельные топлива делятся на дистиллятное котельное или дизельное топливо = дистиллятное нефтяное топливо = дистиллятный газойль / distillate fuel oils (lighter oils) и топочные мазуты / residual fuel oils (heavier oils). Стандарт ASTM Standard D396 определяет различные сорта жидких котельных топлив (сорт, тип = grade).
• Сорта Grades No. 1 и 2 это светлые нефтепродукты, легкие дизели; сорт Grade 4 - вязкий дизель, Grade 5 (Light-Легкий), 5 (Heavy-Тяжелый), и Grade 6 это мазуты. Спецификации для различных сортов жидких котельных топлив определяются типами горелок, для которых они используются.
• Grade No. 1 это довольно летучий газойл - типа авиационного керосина в смеси с другими легкими фракцями, предназначенный для горелок испарительного типа. Данному сорту характерна высокая летучесть при малом количестве осадка при испарении. Данный тип топлива также используется для отопления в коммунальном хозяйстве в регионах с очень холодным климатом в горелках с механическими форсунками = pressure-atomizing burners = gun burners.
• Grade No. 2 это дизель, потяжелее и повязче чем "керосин" No. 1, он широко используется для отопления в горелках с механическими форсунками распыляющими топливо в камеру сгорания. Пары распыленного топлива смешиваются с воздухом и сгорают. Этот сорт используется для отопления в большинстве домашних хозяйств и во многих среднего размера коммерческих/промышленных зданиях. A депарафинированный=dewaxed котельный дизель No. 2 с температурой потери текучести = pour point равной –50°C поставляется в районы, где штатный номер дизель No. 2 может превращаться в гель. Дизель grade No. 2- low sulfur ("низкосернистый") это относительно новое топливо с содержанием серы 0.05%. Более низкие содержания серы увеличивают скорость зарастания/засорения теплообменников (Butcher с соавторами 1997).
• Grade No. 4 это промежуточный тип топлива, что-то вроде тяжелого дизеля или легкого мазута. Предназначен для использования с горелках, которые могут распылять значительно более вязкое топливо, чем обычные механические, которые применяются в небольших и средних котлах в ИЖС и небольших коммерческих зданиях, но при этом может храниться при относительно низких температурах.
• Grade No. 5 (Light-Легкий) этот мазут средней вязкости для горелок, которые могут работать с топливами, более вязкими, чем No. 4 но без предварительного нагрева в обычных условиях. Предварительный нагрев, тем не менее иногда применяется для этого мазута в некоторых типах горелок котлов и теплообменников, и в более холодных климатических условиях, для перегрузки (перевалки) и транспортировки.
• Grade No. 5 (Heavy-тяжелый) это мазут, более вязкий, чем No. 5 (Light), но предназначенный для тех же целей. Предварительный нагрев, обычно применяется для этого мазута в горелках, и для перегрузки (перевалки) и транспортировки.
• Grade No. 6, иногда называют "Бункерный мазут тип Ц" = Bunker C, это высоковязкий мазут, который применяется в основном в промышленном и коммерческом отоплении. Предварительный нагрев требуется при хранений для перекачки, и еще дополнительный нагрев требуется при сжигании в горелках для обеспечения возможности распыления.
• Низкосернистые (малосернистые) мазуты продвигаются сейчас во многих областях применения для того, чтобы позволить потребитялем выполнять законодательство по ограничению выбросов диоксида серы. Эти виды мазутов производятся:
  • (1) на НПЗ в прецессе гидрообессеривания (hydrodesulfurization), (2) смешиванием высокосернистых мазутов с малосернистыми дизелями, или (3) комбинацией этих методов. Эти мазуты сильно отличаются по характеристикам от обычных мазутов (как обычный результат этого и многих других безумных требований экологов/климатологов, направленных в основном на обеспечение потребности в экологах/климатологах для контроля и регулирования - примечание проекта DPVA). К примеру, соотношение вязкость/температура может быть таким, что малосернистые мазуты соответствует No. 6 в холодном состоянии, и No. 4 в разогретом. Естественно, поэтому у этих топлив свои собственные инструкции по применению, хранению и эксплуатации.
• Еще одно жидкое топливо, получающее все больше внимания и применения, это биодизель.Он производится из биоматериалов, таких как растительные масла, использованные пищевые масла и жиры, животные жиры и масла. Стандарт ASTM Standard D6751 посвящен как раз биодизелю; причем требования к нему очень похожи на аналогичные к обычному (нефтяному) дизелю (цетановое число, температура вспышки, и.т.д.; - см. подробнее ниже, в разделе "Типы и свойства жидких моторных топлив по ASTM"). На практике, биодизель для отопления почти исключительно применяется в смеси с нефтяными дизелями по причинам стоимости и низкой текучести 100% биодизеля при низких температурах. Однако, теперь, при усилении давления экологических требований, такие преимущества биодизеля как: низкий показатель нетто-выброса углекислого газа за жизненный цикл этого топлива, низкие показатели выбросов сажи и серы, а также относительно низкие уровни эмиссии NOx в отоплении вполне оправдывают необходимость в смешивании с традиционными углеводородными топливами перед использованием.
• Выбор типа топлива для конкретного применения обычно обосновывается соображениями экономической и физической доступности, экологическими требованиями, операционными издержками (подогрев, перекачка, подвоз....) и стоимостью оборудования. Небольшие здания и сооружения не в состоянии окупить процесс подогрева и подготовки мазутов к сжиганию и используют дизели. Крупные и масштабные объекты с высокой потребностью в отоплении не в состоянии окупить высокие цены отопительных дизелей и применяют для отопления как раз мазуты.

  Свойства жидких котельных топлив по ASTM

• Характеристики, которые определяют классификацию топлив и их применимость, это:
  • (1) вязкость, (2) температура вспышки, (3) температура потери текучести, (4) содержание влаги и осадка, (5) углеродистый=коксовый осадок, (6) выход шлака или золы, (7) состав и температурный диапазон выделения летучих фракций, (8) плотность, (9) содержание серы, (10) удельная теплота сгорания, (11) углеродно-водородное отношение = показатель C/H (12) содержание ароматических соединений и (13) содержание асфальтенов. Не все эти показатели в реальности учитываются в ASTM Standard D396 - основном стандарте жидких котельных топлив.

  Рисунок-диаграмма Примерная вязкость жидких котельных топлив по ASTM: Топочные масла, жидкие котельные топлива, солярки, дизели и биодизель, топочные мазуты:

  

• Вязкость применительно к жидким топливам это мера сопротивления жидкости течению. Это важнейшая характеристика, потому что она показывает, насколько легко топливо течет или перекачивается и насколько легко его распылять. Разница в вязкости вызвана различным составом и разными методами выработки. Приблизительные вязкости жидких котельных топлив в зависимости от температуры представлены на рисунке выше.
• Температура вспышки / flash point=flashpoint — наименьшая температура летучего конденсированного вещества, при которой пары над поверхностью вещества способны вспыхивать в воздухе под воздействием источника зажигания, однако устойчивое горение после удаления источника зажигания не возникает. Вспышка — быстрое сгорание смеси паров летучего вещества с воздухом, сопровождающееся кратковременным видимым свечением. Температуру вспышки следует отличать как от :
  • температуры воспламенения / ignition point=ignition temperature, при которой горючее вещество способно самостоятельно гореть после прекращения действия источника зажигания,
  • так и от: температуры самовоспламенения / self-ignition point=auto ignition temperature=auto-ignition temperature = selfignition temperature, при которой для инициирования горения или взрыва не требуется внешний источник зажигания.
• Температура потери текучести / pour point это минимальная температура при которой топливо можно хранить и переваливать. Топлива с более высокими температурами потери текучести требуют подогрева при работе с ними.
• Содержание влаги и осадка в топливе следует минимизировать во избежание засорения оборудования. Осадок забивает сетки фильтров и элементы горелок.
• Углеродистый=коксовый осадок (остаток) / carbon residue это остаток, образовавшийся после выпаривания и термического разложения в отсутствии кислорода (пиролиза) углеродсодержащего вещества. Остаток не полностью состоит из углерода, присутствующий в нем кокс может быть преобразован при пиролизе. При сжигании коммерческих топлив в правильных горелках этот остаток практически не коррелирует с нагаром (отложениями сажи), кроме тех случаев, когда нагар вызван использованием горелок с форсунками испарительного типа.
• Шлак или зола это негорючая часть жидких топлив. Заметные количества вызывают высокий и быстрый износ насосов горелок.
• Определение фракционного состава нефтепродуктов аналитической разгонкой / distillation test показывает летучесть и насколько легко испаряется данное топливо.
• Относительная плотность/ relative density это отношение плотности топлива к плотности воды при определённой температурой. Относительные плотности каждого типа топлива имеют некоторый допуск, причем есть некоторое совпадение диапазонов плотностей на границе сортов дизелей и мазутов.
• Вопросы предотвращения загрязнения воздуха в основном и определяют существующие разрешенные уровни содержания серы в жидких топливах. Содержание серы обычно ограничивается законодательством с целью уменьшения выбросов оксида серы при сжигании; обычные максимально разрешенные уровни содержания серы это 1.0, 0.5, или 0.3%. В таблице 9 (ниже) показаны разрешенные уровни серы для представленных на рынке сортов жидких котельных топлив. Исследование (Lee с соавторами 2002a, 2002b) показывает, что содержание серы в топливах влияет на содержание серы в отходящих газах, что, в свою очередь, влияет на здоровье населения.

Таблица 9 Содержание серы в жидких котельных топливах по ASTM

Таблица 10 Типичные плотности и высшая теплота сгорания стандартных сортов жидких топлив по ASTM

• Дополнительная причина для удаления серы из топлива это тот факт, что компоненты серы в продуктах сгорания весьма коррозионно опасны. Хотя низкотемпературная коррозия может быть минимизирована поддержанием температуры процесса выше точки росы отходящего газа, этот способ минимизирует КПД котельного оборудования. Наличие оксидов серы в отходящих газах является само по себе фактором повышающим температуру точки росы.
• Для определенных промышленных применений (таких, как металлообработка и отжиг в пламенной печи, где рабочий процесс идет в зоне горения), наличие серы в в топливе должно быть ограничено из-за пагубного влияния на качество продукции. Содержание серы в жидких котельных топливах показано в Таблице 9 (выше).
• Удельная теплота сгорания (теплотворная способность) это важное свойство, хотя ASTM Standard D396 и не включает его в критерии классификации жидких топлив. Таблица 10 содержит соответствие между плотностью и теплотворной способностью. Если же сорт топлива под вопросом, то высшую удельную теплоту сгорания можно посчитать согласно North American Combustion Handbook (1978) как:
  • Высшая теплота сгорания, МДж/кг = 51.92 – 8.79 *10^–6ρ² , где ρ, естественно, плотность
• Дистиляты (Grade 1 и Grade 2) имеют углеродно-водородное отношение = показатель C/H: 84 - 86% углерода, с преобладанием водорода в остатке.
• Более тяжелые жидкие топлива (Grade 4, 5, и 6) могут содержать до 88% углерода и всего 11% водорода. Примерная формула для определения содержания водорода в жидких котельных топливах:
  • Водород, % = 26 – (15 * Относительная плотность)
• Стандарт ASTM Standard D396 представляет собой скорее классификацию, чем спецификацию, различая 6 основных непересекающихся сортов коммерческих жидких котельных топлив. Качество сорта не определяется, производители обычно сами определяют его; к примеру, стандарт определяет температуру выкипания 90% для Grade No. 2 максимумом в 338°C, в то время, как на практике она редко превышает 315°C.

Типы и свойства жидких моторных топлив = liquid fuels for engines по ASTM.

• Важнейшие топлива для стационарных моторов (двигателей, турбин) это дизели, специальные жидкие топлива для газовых турбин, природные газы, и СУГ (LPG). Следует также упомянуть биогаз, сингаз и другие коммерческие газовые смеси. Бензин и топлива для реактивных двигателей (JP = jet propulsion fuel) редко используется для стационарных двигателей. В данном разделе рассматриваются только дизели и жидкие топлива для газовых турбин свойства газов и сжиженных газов рассматриваются в разделе: Газовые топлива, газообразные топлива. Свойства современных коммерческих бензинов описываются в стандарте ASTM Standard D4814. Свойства современных моторных дизелей (1-D, 2-D, и 4D) опистаны в стандарте ASTM Standard D975.
• Grade No. 1-D включает в себя класс летучих топлив от керосина (kerosene) до следующих промежуточных фракций. Эти типы топлив используются в высокооборотных двигателях c частыми и относительно широкими вариациями в нагрузках и скоростях, а также там, где следует учитывать возможность работы при необычно низких температурах топлива.
• Grade No. 2-D класс жидких, но практически нелетучих дизелей. Они используются в высокооборотных двигателях с относительно высокими нагрузками при постоянных скоростях работы, или тогда, когда высокая летучесть и низкая вязкость сортов Grade No. 1-D не требуется.
• Grade No. 4-D включает в себя более вязкие дизели и их смеси с мазутами. Используются в моторах с низкими и средними скоростями вращения, при стабильных нагрузках при практически постоянных скоростях вращения.
• Технические характеристики жидких моторых топлив No. 1-D, 2-D, и 4-D практически такие же, как и у No. 1, 2, и 4 жидких котельных топлив, соответственно по по номерам. Однако дизельные моторные топлива имеют дополнительную характеристику - цетановое число (cetane number), определяющее качество воспламенения и сильно влияющее на длительность процесса воспламенения. Требования к цетановому числу определяются конструкцией двигателя, размером, нагрузками, скоростью вращения условиями запуска и окружающей среды. Повышение цетанового числа выше уровней, которые действительно требуются, никак не улучшает производительность, КПД и/или надежность мотора. Т.о при выборе топлива следует выбирать сорт с наименьшим подходящим цетановым числом. Методы определения (оценки) цетанового числа на основе других свойств топлив приводятся в стандарте ASTM Standard D975.
• Стандарт ASTM Standard D2880 разделяет жидкие топлива для газовых турбин на легкие = "fuel" и дизельные = "diesel fuel". Тестовые методы для определения сортов жидких топлив для газовых турбин в основном идентичны таковым для жидких котельных топлив. Однако требования к топливам для турбин значительно строже в части содержания загрязнений, для защиты элементов турбин от коррозии. Для более подробного знакомства с топливами для газовых турбин и сгорании топлив в газовых турбинах см. главы 5 и 9 в Hazard (1971).

Данные - в основном, но не только:

• 2017 ANSI/ASHRAE Handbook-Fundamentals (SI=СИ)
• Butcher, T.A., S.W. Lee, Y. Celebi, and W. Litzke. 1997. Fouling of heattransfer surfaces in oil-fired boilers for domestic heating. Journal of the Institute of Energy 70:151-159.
• Lee, S.W., I. He, T. Herage, V. Razbin, E. Kelly, and B. Young. 2002a. Influence of fuel sulphur in particulate emissions from pilot-scale research furnaces. Natural Resources Canada. CETC 02-08 (CF).
• Lee, S.W., I. He, T. Herage, B. Young, and E. Kelly. 2002b. Fuel sulphur effects on particulate emissions from oil combustion systems under accelerated laboratory conditions. Natural Resources Canada. CETC 02-09 (CF).
• Dickson, C.L., and G.P. Sturm, Jr. 1994. Heating oils. National Institute for Petroleum and Energy Research, Bartlesville, OK.
• Shelton, E.M. 1974. Burner oil fuels. Petroleum Products Survey 86. U.S. Bureau of Mines, Washington, D.C.
• Hazard, H.R. 1971. Gas turbine fuels. In Gas turbine handbook. Gas Turbine Publications, Stamford, CT