CC BY
40
УДК 665.55/66.19.711
влияние элементного состава нефти различных месторождений на эксплуатационные свойства
мазута
Р.Е. ЛИПАНТЬЕВ, В.П. ТУТУБАЛИНА Казанский государственный энергетический университет
Исследован элементный состав мазутов, полученных из нефти различных месторождений. Установлена взаимосвязь между содержанием серы и физико-химическими свойствами мазутов.
Ключевые слова: мазут, нефть, термостабильность.
Добыча сернистой и высокосернистой нефти составляет 13,5 % от общей добычи нефти Российской Федерации и значительно увеличивается за счёт разработки новых месторождений Волго-Уральского региона. Например, в Татарстане доля тяжёлой нефти превышает 35 %, в Пермской области - 58 %, в Удмуртии - 83 %. Этот фактор не может не влиять на качество жидкого котельного топлива, так как мазут является остаточным продуктом перегонки нефти и практически не подвергается очистке [1-3].
В России, доля мазута в топливном балансе электростанций составляет 2-4 % в связи с высокой стоимостью мазутов на внутреннем и внешнем рынках. С учётом последнего обстоятельства представляется целесообразным поиск причин неэффективного сжигания мазута при его повышенных расходах [4, 5].
К основным физико-химическим характеристикам мазутов, определяющим эксплуатационные свойства и влияющим на эффективность сжигания, относят плотность, условную вязкость, температуру застывания и порог термостабильности.
Целью настоящей работы является исследование элементного состава и эксплуатационных свойств мазутов, полученных из нефти различных месторождений.
В качестве исходных материалов использованы мазуты различных месторождений нефти, физико-химические характеристики которых приведены в табл. 1.
Таблица 1
Физико-химические характеристики мазутов
Месторождение нефти Sp, % Плотность, кг/м3 Условная вязкость при 80 °С °ВУ Температура застывания, °С Теплота сгорания, кДж/кг
Аллакаевское 3,62 971,5 1,80 29,5 39009
Радаевское 3,27 946,9 1,76 20 39428
Бавлинское 3,05 922,9 1,68 15 39679
Западно-Сибирское 2,51 881,5 1,64 7,49 39931
Введеновское 2,27 856,6 1,59 4,35 40650
Условную вязкость определяли по ГОСТ 6258-85, содержание серы по ГОСТ 3877-88, температуру застывания - ГОСТ 20287-91, плотность - ГОСТ 3900-85, теплоту сгорания - ГОСТ 21261-91.
Элементный состав мазутов, полученных из нефти различных месторождений, определялся методом атомно-эмиссионной спектроскопии (ГОСТ 27566-27) и приведён в табл. 2.
© Р.Е. Липантьев, В.П. Тутубалина Проблемы энергетики, 2012, № 9-10
Таблица 2
Элементный состав мазутов_
Месторождение Элементный состав, % Отношение Ср: Нр
Ср Нр Бр № Ор (по разности) 8р+№+Ор
Аллакаевское 85,7 8,4 3,62 0,6 1,68 5,9 10,2
Радаевское 86,1 8,5 3,27 0,5 1,63 5,4 10,1
Бавлинское 86,5 8,6 3,05 0,3 1,55 4,9 10,0
ЗападноСибирское 87,4 8,8 2,51 0,1 1,15 3,76 9,90
Введеновское 87,7 8,6 2,27 0,09 1,34 3,70 10,2
Из данных, видно, что исследованные мазуты содержат в своём составе 85,787,7 % углерода, 8,4-8,8 % водорода и характеризуются практически одинаковым соотношением С:Н, изменяющимся в узком интервале 9,9-10,2 %. Вместе с тем, изученные мазуты содержат различное количество серы, азота и кислорода: серы -2,27-3,62 %, азота - 0,09-0,6 % , кислорода 1,15-5,9 %.
Следует учитывать, что сера относится к структурообразующим элементам системы [6, 7] и может способствовать повышению плотности и вязкости исследуемой системы. В этой связи были проведены экспериментальные исследования по установлению влияния содержания серы на физико-химические характеристики мазутов.
Влияние концентрации серы, содержащейся в мазутах, на их плотность и условную вязкость показаны на рис. 1 и 2.
З3 980 -1
¡2
£ 960 -
| 940 -
I 920 -
900 880 860 840 -
2 2,2 2,4 2,6 2,8 3 3,2 3,4 3,6 3,8
Общая сера, %
Рис. 1. Влияние концентрации общей серы, содержащейся в мазутах, на их плотность: ряд 1 - по уравнению кривой; ряд 2 - по экспериментальным данным
Видно, что между этими показателями существует линейная зависимость, описываемая уравнениями (1) и (2) соответственно для плотности и условной вязкости:
>=84,89828-х+665,9395, (1)
>=0,152179-х+1,245985 (2)
Коэффициент корреляции уравнения (1) равен 0,992, а уравнения (2) - 0,989, что свидетельствует о высокой зависимости параметров уравнений. Стандартное отклонение уравнений (1) и (2) равно 3,4 и 0,02 соответственно.
—»-Ряд1
Ряд2
о
и «
т
1,8 1,75 1,7 1,65 1,6 1,55
Ряд1 Ряд2
2,5
3,5
4
Общая сера, %
Рис. 2. Влияние концентрации общей серы, содержащейся в мазутах, на их вязкость: ряд 1 - по уравнению кривой; ряд 2 - по экспериментальным данным
Из рис. 1 и 2 видно, что увеличение концентрации серы ведет к повышению плотности и условной вязкости мазутов, что, в свою очередь, приведет к ухудшению процесса распыливания их форсунками.
На рис. 3 показана зависимость температуры застывания мазута от содержания
серы.
о
а р
ратур р
е
35 30 25 20 15
8 10
н
Ряд1 Ряд2
2,2
2,4
2,6
2,8
3,2 3,4 3,6 3,8
Концентрация серы, %
Рис. 3. Влияние концентрации серы на температуру застывания мазута: ряд 1 - по уравнению кривой; ряд 2 - по экспериментальным данным
Зависимость температуры застывания от содержания серы в мазутах описывается уравнением
>=1,297863-х +9,278549-х-23,607811.
(3)
2
3
5
0
2
3
Коэффициент корреляции уравнения (3) равен 0,995, что свидетельствует о высокой зависимости параметров уравнения. Стандартное отклонение уравнения (3) равно 0,67.
Из рис. 3 следует, что с увеличением концентрации серы в мазутах температура застывания плавно возрастает, ухудшая эксплуатационные свойства мазутов, поскольку мазуты с высоким содержанием серы теряют свою подвижность и застывают при более высокой температуре, по сравнению с малосернистыми мазутами. Это объясняется тем, что сернистые соединения в мазутах представлены высококонденсированными ароматическими структурами, склонными к ассоциации [6, 7]. Учитывая данное
обстоятельство, для эффективного сжигания мазутов в топках энергетических котлов необходимо иметь достоверные сведения об его элементном составе, так как структурообразующие свойства серы возрастают с увеличением её концентрации в исследуемых мазутах, что существенно сказывается на основных эксплуатационных характеристиках мазутов (рис. 1-3).
Немаловажным фактором для стабилизации процесса горения мазута является его термостабильность, поэтому были проведены исследования по определению численных значений порога термостабильности мазута от содержания серы в последнем [4].
Термостабильность - это способность мазута выдерживать повышенные температуры без химических превращений и изменения эксплуатационных свойств. Порог термостабильности характеризует начало вспышки мазута. Экспериментальные данные приведены в табл. 3.
Таблица 3
Термостабильность мазутов_
Месторождение Сера Бр, % Порог термостабильности мазута, °С Температура воспламенения мазута, °С
Аллакаевское 3,62 179 194
Радаевское 3,27 162 181
Бавлинское 3,05 151 165
Западно-Сибирское 2,51 129 145
Введеновское 2,27 120 137
Как видно из табл. 3, повышение концентрации серы в мазутах приводит к повышению порога термостабильности. Снижение концентрации серы в мазутах в 1,6 раза уменьшает порог термостабильности мазута в 1,49 раза.
Следующая серия опытов была поставлена для определения порога термостабильности серы, содержащейся в мазутах. В табл. 4 приведены численные значения порога термостабильности серы мазутов. Порог термостабильности серы мазутов определяли по методике, приведённой в литературе [8]. Определение порога термостабильности серы, содержащейся в мазутах, необходимо для установления эффективности сжигания мазутов.
Таблица 4
Численные значения порога термостабильности серы мазутов
Месторождение Сера Бр, % Порог термостабильности серы, °С
Аллакаевское 3,62 325
Радаевское 3,27 287
Бавлинское 3,05 269
Западно-Сибирское 2,51 190
Введеновское 2,27 158
Из табл. 4 следует, что порог термостабильности серы возрастает с увеличением её концентрации в мазутах.
Порог термостабильности серы, содержащейся в мазутах, оказывает существенное влияние на температуру воспламенения их в топке энергетических котлов (табл. 3, 4).
Сравнительный анализ табл. 3 и 4, показывает, что основным фактором, влияющим на порог термостабильности мазутов, является концентрация серы в последних.
Как показали проведённые экспериментальные исследования, большое влияние на эксплуатационные свойства мазутов оказывает концентрация серы в последних. В связи с увеличением добычи и переработки сернистой нефти в России и за рубежом на электрические станции будут поставляться мазуты с различным содержанием серы. Последнее обстоятельство потребует от эксплуатационников изменения рабочих параметров процесса сжигания мазута в зависимости от содержания в нём серы.
Выводы
1. Установлена зависимость эксплуатационных характеристик мазутов различных месторождений от их элементного состава.
2. Показано, что плотность, условная вязкость и порог термостабильности мазутов существенно уменьшаются при снижении концентрации серы, что улучшает эксплуатационные свойства мазутов.
Summary
Studied the elemental composition of the oil is derivedfrom the oil of différent fields. The interrelation between the content of sulphur and physico-chemical properties of heavy fuel oil.
Keywords: Fuel oil, oil, warm-up stability.
Литература
1. Автономов А.Б. Мировая энергетика: состояние, масштабы, перспективы, устойчивость развития, проблемы экологии, ценовая динамика топливно-энергетических ресурсов // Электрические станции. 2003. №5. С. 55-64.
2. Перспективные технологии для техперевооружения ТЭС. М.: ВТИ. 2000.
3. Внуков А.К., Розанова Ф.А. Повышение эффективности эксплуатации мазутных хозяйств газомазутных электростанций // Теплоэнергетика. 2009. №9. С. 60-63.
4. Зрайчиков Н.А., Лысков М.Г. Оптимизация режимов сжигания мазута в топках котлов большой мощности // Теплоэнергетика. 2007. №6. С. 23-26.
5. Белосельский Б.С., Покровский В.Н. Сернистые мазуты в энергетике. М.: Энергия. 1969. С.
27-52.
6. Чертков Я.Б., Спиркин В.Г. Гетероатомные соединения нефтяных дистиллятов. М.: Химия, 1971. 307 с.
7. Слинько М.Г. Нелинейная динамика в катализе // Катализ в промышленности. 2006. №6. С. 123-128.
8. Скрипник Е.И., Штаф И.К. Термическая стабильность нефти // Химия и технология топлива. 1956. №5. С. 20-23.
Поступила в редакцию 14 сентября 2012 г
Липантьев Роман Евгеньевич - аспирант кафедры «Тепловые электрические станции» (ТЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). E-mail: [email protected]
Тутубалина Валерия Павловна - д-р техн. наук, профессор кафедры «Тепловые электрические станции» (ТЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
