Анализ влияния каталитических частиц на рабочие характеристики и новый стандарт по обеспечению безаварийной эксплуатации судовых дизеле

 
Извлекаемый из основания ректификационной колонны продукт, который называют суспензией катализатора в нефтепродукте, известен также как осажденный нефтепродукт или кубовый продукт каталитического крекинга с флюидизированным катализатором. Суспензия катализатора в нефтепродукте, вещество с высоким содержанием ароматических углеводородов, имеет высокую плотность, как правило, порядка 1000 кг/м³ при 15°C и низкую вязкость, порядка 30 - 60 сСт при 50°C.  Благодаря высокой степени ароматизации, что придает стабильность готовому топливу, она представляет собой идеальный компонент смешения для остаточных топлив. В технологии нефтепереработки именно она служит источником поступления каталитических частиц в остаточное нефтяное топливо.   

10 (14 из 40)

 

 

Каталитические частицы

 
Состав каталитических частиц изменяется в зависимости от типа исходного  сырья, а также от способности  основного оборудования крекинг-установки  обеспечить получение оптимальных характеристик бензиновых (легких) сортов или дизельных (более тяжелых) сортов. На сегодняшний день, точные составы катализаторов никогда не указываются, но все они в той или иной форме содержат синтетический кристаллический материал цеолит (zeolite). 

 
Цеолит диспергируется в матрице, которая состоит из активной матрицы, глины и связующего компонента.  Как цеолит, так и активная матрица  представляют собой формы оксида алюминия и диоксида кремния.  Соотношение  кремния и алюминия в катализаторе может значительно варьироваться в пределах от 0,65:1 до 2:1.

 
В середине 1990-х, классификационное  общество «Норвежский Веритас» (Det Norske Veritas, DNV) на основании результатов  анализов проб нефтяного топлива  определило, что применявшееся в  течение года по всему миру среднее соотношение кремния и алюминия составляло 1,64:1.  Результаты последних анализов показывают, что применяемое по всему миру среднее соотношение в настоящее время составляет приблизительно 1,2:1, и что это соотношение, вероятно, будет снижаться, поскольку современные катализаторы имеют тенденцию к повышению концентрации в них алюминия. 

 
Каталитические частицы образуются за счет разрушения структуры и дробления  катализатора, прежде всего, вследствие износа, по мере его рециркуляции через  установку каталитического крекинга.  Размеры каталитических частиц варьируются в диапазоне от субмикронных величин до 30, а иногда и до 100 микрон. Поскольку считается, что частицы имеют сферическую форму, вышеуказанное условие не является обязательным.

 
Типичное распределение по крупности частиц каталитических частиц в тяжелом топливе показано на Рис. 5.

 

Данные исследования компании Бритиш Петролеум
Распределение по крупности частиц (микрон)	По  числу (%)
5–10	57
10–15	27
15–35	15
35–100	1

 

 
Рис. 5.  Распределение по крупности  частиц каталитических частиц

 

 

 

 

 

11 (15 из 40)

 

 

Стандарт на топлива ISO 8217

 
ISO 8217:2005 является действующим международным стандартом, устанавливающим технические требования к нефтепродуктам для судовых дизельных двигателей и котельных агрегатов.  Эти технические требования определяют предельно допустимое содержание каталитических частиц в нефтяных топливах, выражаемое через показатель Al + Si  (алюминий + кремний), при 80 ppm. 

 
Общепринятым условием является, что системы очистки топлива на борту судна, включая отстаивание, очистку и фильтрацию, должны обеспечивать сокращение содержания каталитических частиц в бункерном топливе, имеющееся на момент поставки, до уровня ниже 15 ppm, что является приемлемым для впрыска топлива в двигатель. 

 
В сентябре 2004 года DNV была опубликована статистика, показывающая процент поставок бункерного топлива с определенными диапазонами содержания алюминия и кремния.  Почти 80 процентов всех поставок бункерного топлива на «морском» рынке имеют содержание «алюминий + кремний» менее 20 ppm. 

 

Al + Si (мг/кг)	% поставок
>80	0,3
>60, <=80	1,7
>20, <=60	19
< 20	79

 

Источник информации:   Классификационное  общество «Норвежский Веритас» (DNV), «Статистические данные по качеству топлив», Том 24, Номер 3, сентябрь 2004.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12 (16 из 40)

 

 

Измерения для определения  содержания каталитических частиц

 
Ряд методов для непосредственного  измерения содержания каталитических частиц  в топливе были разработаны, испытаны и отвергнуты.  Применяемый на текущий момент и одобренный метод, ISO 10478, обеспечивает измерение содержания каталитических частиц с использованием непрямого метода, в соответствии с которым взвешенное количество пробы гомогенизированного нефтяного топлива нагревается в платиновом тигле с удалением горючего материала путем сжигания. Затем тигель с остатком, перенесенный в муфельную печь, выдерживается при 550 ±25°C для снижения углеродистого остатка (коксового числа) и получения золы. Далее, путем сплавления осуществляется соединение золы с тетраборнокислым литием / расплавом фтористого лития, и расплавленная смесь растворяется в смеси винной кислоты и соляной кислоты, после чего разбавляется водой для получения требуемого объема.

 
Затем раствор подвергается аспирации в плазме индуктивно связанного плазменного эмиссионного спектрометра или абсорбционного спектрометра, и производится определение наличия алюминиевых и кремниевых элементов посредством радиационного излучения. Впоследствии количество каталитических частиц определяется путем сравнения результатов измерения радиационного излучения с данными по стандартным эталонным растворам.  Само собой разумеется, что содержание алюминия и кремния, измеренное таким образом не зависит от распределения по крупности частиц. 

 
Мелкодисперсные каталитические включения в остаточном нефтяном топливе – анализ тенденций 

 
Ввиду продолжающегося роста  мировой потребности в дистиллятном топливе, внедрение более совершенных  технологий нефтепереработки будет постепенно распространяться по всему миру.  Естественное последствие этого состоит в том, что остаточные нефтяные топлива с определенным уровнем содержания каталитических частиц будут шире использоваться для эксплуатации судовых дизелей. Однако, весьма вероятно, что при применении технических требований к топливам для судовых двигателей наряду с использованием должным образом разработанных и обслуживаемых центробежных сепараторов, данная проблема может остаться незамеченной мореходным сообществом.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13 (17 из 40)

 

 

Судовые дизели

 

На сегодня, двухтактные судовые  дизели могут эксплуатироваться  согласно Стандарту на топлива  ISO 8217 и Версии 21 Рекомендаций GIMAG по требованиям к топливам для дизельных двигателей. Определяющим условием является надлежащая очистка топлива в центробежном сепараторе.  Как ISO 8217 так рекомендации по топливам GIMAG устанавливают, что содержание каталитических частиц в нефтяном топливе, поставляемом на борт судна, не должно превышать максимального уровня в 80 промиль (ppm) – сокращение, означающее «количество частей на миллион», которое выражается показателем процентного весового отношения. 

 
Для очистки топлива от каталитических частиц и других примесей перед впрыском в двигатель, необходимо применение на борту судна систем очистки топлива. Согласно общей установке изготовителей двигателей, судовая система очистки топлива должна обеспечивать снижение максимального допустимого уровня содержания каталитических частиц 80 ppm до уровня перед подачей в двигатель, не превышающего 15 ppm.  В связи с снижением уровня содержания каталитических частиц в бункерном топливе, изготовители двигателей ожидают соответствующего снижения содержания  каталитических частиц в топливе, подаваемом в двигатель. 

 
Конструкция системы очистки топлива, используемой на борту, является решающим фактором для обеспечения требуемых показателей снижения содержания каталитических частиц в топливе с 80 ppm на момент бункеровки на судно до уровня 15 ppm перед впрыском в двигатель. Это необходимо для гарантированного обеспечения безопасности эксплуатации и оптимальных рабочих характеристик двигателя. 

 

Макс. допустимый уровень содержания каталитических частиц 80 ppm					Макс. допустимый уровень содержания каталитических частиц 15 ppm
	Сепаратор			Бустерный модуль		Двигатель

 
Рис. 6.  Снижение уровня содержания каталитических частиц судовой системой очистки топлива 

 

 

 

 

 

 

 

14 (18 из 40)

 

 

Влияние каталитических частиц на рабочие характеристики двигателей

 
Каталитические частицы представляют собой мелкие частицы отработанного катализатора, которые остаются в топливе после осуществления процессов каталитического крекинга для переработки сырой нефти в более ценные фракции, в результате которых формируется «донная фаза» – остаточное топливо, насыщенное загрязняющими примесями.  Размеры частиц могут варьироваться в диапазоне от субмикрона до десятых долей микрона, т.е. в пределах от размера пылинки или цветочной пыльцы до толщины человеческого волоса. Хотя частицы каталитических частиц практически невидимы для человеческого глаза, они отличаются высокой твердостью и способны вызвать возникновение если не забоин, то серьезных царапин металла. 

 
Все Каталитические частицы, остающиеся в топливе после центрифугирования, потенциально способны вызывать абразивный износ деталей и повреждение двигателя, что в свою очередь может привести к возникновению потенциально опасных эксплуатационных ситуаций.  Именно по этой причине уровень содержания каталитических частиц необходимо снижать в максимально возможной степени за счет применения системы очистки топлива. Частицы каталитических частиц размером менее пяти микрон считаются менее опасными, чем более крупные частицы. 

  
Чем выше содержание каталитических частиц, тем больше риск возникновения опасных эксплуатационных ситуаций вследствие износа и выхода из строя двигателя. При таких эксплуатационных условиях существует повышенный риск отказа двигателя, и, по всей вероятности, потребуется сокращение интервалов между циклами обслуживания двигателя по сравнению с рекомендуемыми его изготовителем. 

 
Согласно опыту, в случае обеспечения  требуемой эффективности удаления каталитических частиц системой очистки  топлива, обеспечивается приемлемый уровень  и контролируемость износа двигателя, что определяется по среднему сроку межремонтной эксплуатации, устанавливаемому поставщиками двигателей. 

 
Важность очистки топлив

 
Судовые дизели разрабатываются  из условия обеспечения эксплуатации на всех имеющихся в продаже промышленных сортах топлива, при условии их соответствующей очистки на борту судна.  Для этого необходимо использование эффективной системы очистки топлива.  В системах очистки топлива, применяемых в области судостроения и судоходства, общепринятой практикой является использование центробежных сепараторов в комплекте с отстойным резервуаром.  Фильтры рассматриваются лишь в качестве надежного средства для сбора крупных частиц в целях недопущения их попадания в двигатель, а не как средство очистки топлива.

 
В целях обеспечения безопасной эксплуатации, тяжелое топливо, отвечающее требованиям ISO 8217 и рекомендаций CIMAC, должно подвергаться очистке судовой топливной системой очистки, которая должна соответствовать следующим условиям:   

Подогрев топлива до требуемой температуры перед его подачей в центробежные сепараторы;

Правильный выбор производительности/схемы размещения центробежных сепараторов (то есть, обеспечение требуемого расхода пропускаемого через центробежные сепараторы топлива); и,

Правильная эксплуатация и техническое обслуживание центробежных сепараторов.