CC BY
26
111111
УДК 622.75.047
УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ ЭЛЕКТРОДУГОВЫМ СПОСОБОМ
Р.Е. ЛИПАНТЬЕВ, В.П. ТУТУБАЛИНА Казанский государственный энергетический университет
С использованием модельных смесей на основе октана и дизельного топлива с метилфенилсульфидом и дизельных топлив арланского и западно-сибирского месторождений изучен процесс их электродугового обессеривания. Показано, что электродуговой метод эффективно обессеривает дизельное топливо с улучшением его качественных характеристик.
Ключевые слова: модельные смеси, электродуговой метод, олефины, метилфенилсульфид.
В связи с увеличением добычи и переработки сернистых нефтей содержание сернистых соединений в дизельных топливах возросло до 2,5 - 3,0 %. Сернистые соединения при сгорании дизельного топлива образуют смолистые соединения и увеличивают нагарообразование на рабочих поверхностях двигателей. Поэтому очистка дизельных топлив от сернистых соединений относится к наиболее актуальным задачам [1].
Сернистые соединения являются термически неустойчивыми соединениями, так как на разрыв связи С-8 затрачивается 228,35 кДж/моль, в то время как при разрыве связи С-С затрачивается 332,27 кДж/моль. Это указывает, что разрыв связи С-8 происходит при меньшей затрате энергии по сравнению со связью С-С. В интервале температур 400 - 700 °С происходит разложение всех типов сернистых соединений нефти. Разложение сернистых соединений протекает по механизму, показанному на рис. 1 [2, 3].
Рис. 1. Механизм разложения сернистых соединений
Из схемы, показанной на рис. 1, следует, что разложение сернистых соединений при нагревании происходит с образованием олефиновых углеводородов и Н8- радикала.
Одним из способов решения указанной проблемы является применение электродугового метода подготовки дизельного топлива к сжиганию. С этой целью проведены исследования по разложению дизельного топлива в
© Р.Е. Липантьев, В.П. Тутубалина Проблемы энергетики, 2011, № 1-2
электрических разрядах для получения крекинг-газа. Экспериментальные исследования проводили в реакторе, описанном в литературе [4].
Для получения достоверных результатов по очистке дизельного топлива от сернистых соединений были приготовлены модельные смеси. Основу модельной смеси составляет октан, к которому добавляли метилфенилсульфид в количестве 0,4 %, 0,8 %, 1,0 % и 1,2 %. В модельных смесях использованы индивидуальные вещества (октан и метилфенилсульфид), что повышает достоверность процесса разложения сернистых соединений в электродуговом реакторе. Приготовление и отбор проб модельных смесей производился в соответствии с ГОСТ Р 52714-2007. Определение общей серы проводили с использованием метода двойного сожжения [6], а сульфидной серы - по методике, описанной в литературе [7]. Экспериментальные данные приведены табл. 1.
Таблица 1
Состав газа, выделяемою при электрокрекинге модельных смесей на основе октана
Сера, % Состав газов, об-%
СН, С2Н2 Н2 СпН2п И28, мг/м3 С82, мг/м3
0,4 0,25 31,2 57,1 11,25 3,3 1,08
0,8 0,2 31,3 57,4 11,10 5,4 1,2
1,0 0,15 31,4 57,4 11,05 10,1 2,3
1,2 0,1 31,6 57,5 10,08 20,3 5,8
Газ, полученный в результате электрокрекинга модельных смесей с метилфенилсульфидом, богат ацетиленом, олефинами и водородом. Наличие в модельных смесях метилфенилсульфида привело к образованию в газах сероводорода и сероуглерода (табл. 1).
В процессе проведения эксперимента из реактора отбирались пробы, в которых определяли концентрацию сульфидной серы. В табл. 2 приведена концентрация сульфидной серы в модельных смесях после пребывания в электродуговом реакторе [4]. Определение содержания общей серы в модельных смесях проводили в соответствии с ГОСТ Р 51859-2002.
Таблица 2
Концентрация метилфенилсульфида в модельных смесях на основе октана
Начальное содержание серы, % Конечное содержание серы, % Степень обессеривания модельной смеси, %
0,4 0,005 98,75
0,8 0,016 98,0
1,0 0,029 97,1
1,2 0,05 95,8
Из табл. 2 следует, что модельные смеси в результате проведения электродугового процесса полностью обессериваются, что указывает на эффективность проведения его при осуществлении топливоподготовки на электрических станциях. Степень обессеривания модельной смеси составляет 95,8 - 98,75 %.
При проведении электродугового обессеривания модельных смесей наблюдается образование сажи, которую отделяли от модельных смесей фильтрованием и высушивали при температуре 105 °С в сушильном шкафу.
Экспериментальные данные по количественному определению сажи, образовавшейся в модельных смесях, приведены в табл. 3.
Таблица 3
Количество сажи в модельных смесях на основе октана
Сера в модельных смесях, % Содержание серы в саже, % Выход сажи, %
0,4 0,3 2,3
0,8 0,6 2,5
1 0,7 2,7
1,2 0,9 2,9
Для подтверждения надежности экспериментальных данных были приготовлены модельные смеси, основу которых составляет дизельное топливо с содержанием общей серы 0,01 %.
Концентрация метилфенилсульфида в модельных смесях составляла 0,4 %, 0,8 %, 1,0 % и 1,2 %. Модельные смеси подвергали обессериванию в электродуговом реакторе [4]. Эксперементальные данные приведены в табл. 4.
Таблица 4
Состав газов, выделенных при электрокрекенге модельных смесей на основе дизельного топлива
Сера, % Состав газов, % И28, мг/м3 С82, мг/м3
СН, С2Н2 Н2 СпН2п
0,4 0,22 30,9 57,5 11,38 3,5 0,99
0,8 0,19 31,0 57,7 11,11 5,7 1,32
1,0 0,17 31,2 57,8 10,83 10,9 2,41
1,2 0,12 31,4 58,0 10,48 21,0 5,85
Содержание сажи в модельных смесях на основе дизельного топлива показано в табл. 5.
Таблица 5
Количество сажи в модельных смесях на основе дизельного топлива
Сера в модельной смеси, % Содержание серы в саже, % Выход сажи, %
0,4 0,37 2,60
0,8 0,64 2,87
1 0,7 3,19
1,2 0,92 3,28
Сравнительный анализ экспериментальных данных, приведенных в табл. 1 и 4, показал, что состав газа модельных смесей, приготовленных на основе октана и обессеренного дизельного топлива, практически одинаков.
Анализ данных табл. 3 и 5, показал, что при обессеривании модельных смесей на основе дизельного топлива наблюдается более высокий выход сажи, что связано с наличием в дизельном топливе высокомолекулярных соединений, способных к сажеобразованию. Выход сажистых соединений вырастает от 6,3 % до 18 %.
В табл. 6 приведены результаты экспериментов по обессериванию модельных смесей, приготовленных на основе дизельного топлива.
Таблица 6
Концентрация метилфенилсульфида в модельных смесях на основе дизельного топлива
Начальные содержание Конечное содержание Степень обессеривание
серы, % серы, % модельной смеси, %
0,4 0,0048 98,8
0,8 0,018 97,75
1 0,026 97,4
1,2 0,054 95,5
Сравнение экспериментальных данных табл. 2 и 6, показал, что степень обессеривания модельных смесей на основе октана и дизельного топлива одинакова.
Кроме модельных смесей в электродуговом реакторе подвергали обессериванию дизельные топлива, содержащие в своем составе различное количество серы. Температура кипения дизельных топлив составляла 200 -320 °С. Дизельные топлива были получены из арланской нефти с содержанием 1,2 % общей серы (А) и из нефти, в которой находилось 2,4 % общей серы (И).
В табл. 7 приведен состав газообразных продуктов, полученных в результате электрокрекинга дизельных топлив А и И.
Таблица 7
Состав газообразных продуктов дизельных топлив
Продукт Содержание серы, % Состав газа, об % Кол-во газа, л мг/м3 CS2, мг/м3
С2Н2 СН, Н2 СпН2п
А 1,2 32,3 0,5 61,8 5,4 217 1,05 0,2
И 2,4 31,8 0,6 62,0 5,8 230 0,96 0,15
При проведении процесса обессеривания дизельных топлив А и И в электродуговом реакторе образуется газовая смесь, богатая ацетиленом, олефинами и водородом, которая может быть использована в топках энергетических котлов или в газотурбинных установках [5].
Физико-химические характеристики дизельного топлива до обессеривания в электродуговом реакторе и после обессеривания приведены в табл. 8.
Таблица 8
Физико-химические характеристики дизельных топлив А и И
Дизельное топливо Содержание серы, % Плотность, кг/м3 п 20 "д Вязкость, м/с, П-103
А - до обессеривания 1,2 840,6 1,4600 4,47
А - после 0,01 790,1 1,4590 3,81
обессеривания
И - до обессеривания 2,4 860,3 1,4620 5,74
И - после 0,015 807,4 1,4600 4,28
обессеривания
Из данных, приведенных в табл. 8, следует, что содержание серы в дизельных топливах А и И снизилось, соответственно, от 1,2 % до 0,01 % и от 2,4 % до 0,15 %. Данное обстоятельство указывает, что степень обессеривания дизельных топлив А и И соответственно составила 99,7 % и 99,40 %, при этом все остальные показатели дизельных топлив А и И также уменьшились. Плотность дизельного топлива А снизилась в 1,064 раза, топлива И - в 1,066 раза, соответственно кинематические вязкости дизельных топлив А и И снизились на 26,8 % и 25,4 %. Плотность топлива определяли в соответствии с ГОСТ Р 51069-97.
Содержание сажи в дизельных топливах А и И определяли весовым методом по ГОСТ 24104-1988 на электронных весах марки МВ 210-А. Топливо пропускали через фильтры и высушивали осадок при температуре 105 °С. Экспериментальные данные приведены в табл. 9.
Таблица 9
Содержание сажи в дизельных топливах после электродугового обессеривания
Дизельное топливо Содержание серы в саже, % Выход сажи, %
А 0,95 2,2
И 2,14 3,78
Результаты экспериментальных исследований показывают, что процесс обессеривания модельных смесей и дизельных топлив в электродуговом реакторе протекает с образованием газа, богатого ацетиленом, водородом и олефинами (табл. 1, 4, 7).
Выводы
1. При обессеривании модельных смесей и дизельных топлив в электродуговом реакторе выделившийся газ, наряду с ацетиленом, олефинами и водородом, содержит сероводород и углерод.
2. Использование электродугового метода обессеривания дизельных топлив позволяет снизить концентрацию серы в топливе соответственно до 0,01 % и 0, 015 %.
3. Степень обессеривания модельных смесей и дизельных топлив в электродуговом реакторе колеблется в узком интервале от 97,4 % до 99,7 %.
Summary
With use of modelling mixes on a basis oktana both diesel fuel metilfenilsul'fidom and diesel fuel arlanskogo and the West Siberian deposits their process electroarc obesserivaniya is studied. It is shown that an electroarc method effectively obesserivaet diesel fuel with improvement of its qualitative characteristics.
Key words: modelling mixes, an electroarc method, olefiny, metilfenilsul'fid.
Литература
1. Верховский Н. И., Красноселов Г. К., Машилов Е. В., Цирульников Л. М. Сжигание высокосернистого мазута на электростанциях. Москва: Энергия, 1989. С. 29, 35-42.
2. Schmidt U. Radical und radical - reaction destine - und zweibindigen Schwefels - Angew. Chem. 1964, Bd 76 № 14, P. 629-635.
3. Реутов О.А. Теоретические основы органической химии. М.: МГУ, 1964. С. 664.
4. Липантьев Р.Е., Тутубалина В.П. Установка для обессеривания мазута газификации // Известия вузов. Проблемы энергетики, 2010. № 5-6. С. 146-149.
5. Адамов В.А. Сжигание мазута в топках котлов. М.: Недра, 1989. С. 50-62.
6. Волынский Н.П., Гальперн Г.Д., Чудакова И.К. Метод двойного сожжения. Определение общего содержания серы в нефтепродуктах. М.: АН СССР. 1956. 138 с.
7. Караулова Е.Н. Окисление сернистых соединений. Итоги науки. М.: АН СССР, 1958. С. 130-195.
Поступила в редакцию 13 сентября 2010 г.
Липантьев Роман Евгеньевич - аспирант кафедры «Тепловые электрические станции» (ТЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-950-3120928. E-mail: dozor_energo@mail. ru.
Тутубалина Валерия Павловна - д-р техн. наук, профессор кафедры «Тепловые электрические станции» (ТЭС) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 273-42-06.
