Судовое топливо (Marine Fuel) — это специальные нефтяные топлива, предназначенные для двигателей морских и океанских судов. Они обеспечивают необходимую энергию для propulsion судов и обычно поставляются в портах в процессе бункеровки (заправки топливом).
Судовое топливо часто относится к тяжёлым видам — Heavy Fuel Oil (HFO), или мазуту, который производится из остатков дистилляции сырой нефти.
Что такое судовое топливо?
Судовое топливо, такое как мазут, производится из сырой нефти и состоит из углеродных цепочек, что повышает его плотность и вязкость. По сравнению с лёгкими топливами, такими как природный газ, это топливо является экономичным вариантом для массового производства энергии. Однако из-за высокого содержания примесей, таких как сера и тяжёлые металлы, оно вызывает больше загрязнений, чем более лёгкие виды топлива.
Жидкое судовое топливо, например мазут, из-за высокой вязкости, плотности и высокого содержания серы и примесей, делает процесс его сгорания более сложным. Для использования такого топлива в процессе сгорания требуется предварительная очистка для удаления примесей. Также необходимо предварительное подогревание, чтобы снизить вязкость и улучшить текучесть топлива. Несмотря на эти особенности, мазут обладает высокой энергогенерацией и особенно подходит для промышленного применения.
Виды тяжёлых жидких топлив по вязкости и температуре
Тяжёлые топлива классифицируются по вязкости и температуре, при которой они используются. Вязкость (или граничная вязкость) имеет обратную зависимость от температуры, то есть с повышением температуры вязкость уменьшается. Диаграмма ниже показывает связь между температурой и вязкостью тяжёлого топлива, при которой с увеличением температуры вязкость уменьшается, а текучесть топлива улучшается, что облегчает его прокачку и распыление.
На диаграмме показаны различные области, каждая из которых указывает на определённую категорию топлива:
Область A: минимальная и максимальная вязкость для лёгких топлив, которые при более низких температурах остаются в жидком состоянии.
Область B: область, определяющая топлива с высокой текучестью и малой вязкостью, для которых не требуется дополнительное подогревание и которые легко распыляются в жидком виде.
Области C и D: эти области относятся к тяжёлым топливам с высокой плотностью и более высокой вязкостью. Для достижения подходящей текучести необходимо повысить температуру, чтобы снизить вязкость.
Область E: предложенная область вязкости для распылителя, в которой топливо может быть легко распылено и достичь оптимального сгорания. Регулировка температуры в этой области помогает предотвратить неполное сгорание и снизить образование загрязняющих веществ.
Область F: эта область представляет собой оптимальный предел вязкости для прокачки тяжёлого топлива.
Классификация судовых топлив по стандарту ISO 8217
Международный стандарт ISO 8217 определяет технические характеристики судовых топлив. Согласно ему, топлива делятся на две основные категории: остаточные (Residual Fuels) и дистиллятные (Distillate Fuels).
Остаточные топлива (Residual Fuels):
Это тяжёлое топливо и (Heavy Fuel Oil — HFO), также известное как судовое топливо. Оно обладает высокой вязкостью и требует предварительного подогрева для эффективной перекачки и сгорания.
Остаточные топлива обычно содержат значительное количество серы, что делает их более загрязняющими по сравнению с лёгкими, но экономически более выгодными. Они широко используются в морском судоходстве как бункерное топливо. Мазут относится к категории остаточных (тяжёлых) топлив. Остаточные топлива обозначаются префиксом R и классифицируются по максимальной вязкости при 50 °C (в сСт), как приведено в таблице.
Дистиллятные топлива (Distillate Fuels):
Это дистиллятные топлива, производимые на ранних стадиях дистилляции сырой нефти. К ним относятся дизельное топливо и отопительные масла, широко применяемые в транспорте, бытовом и коммерческом отоплении. Благодаря низкому содержанию серы они считаются более чистыми при сгорании. Они имеют меньшую вязкость и стоят дороже остаточных. Дистиллятные топлива обозначаются префиксом D и классифицируются следующим образом. Дистиллятные топлива широко используются в транспорте, особенно в дизельных двигателях грузовиков, автобусов и поездов, а также для отопления жилых и коммерческих зданий.
Судовое топливо и их регламенты IMO по содержанию серы
Меры по предотвращению загрязнения от судов разработаны в рамках Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов (MARPOL 73/78), принятой в 1973 году под эгидой Международной морской организации (IMO). Они ограничивают содержание серы в жидких топливах для судов.
В 2012 году максимальное допустимое содержание серы снизилось до 3,5% по массе. В зонах контроля выбросов (SECA/ECA), включая Балтийское море, Северное море, районы Северной Америки и Карибского бассейна, с 2015 года предел составил 0,1% по массе. Наконец, с 2020 года глобальный максимум содержания серы в судовых топливах снижен до 0,5% по массе.
В этом контексте топлива с содержанием серы менее 0,5% по массе называются VLSFO (Very Low Sulphur Fuel Oil), а с содержанием менее 0,1% — ULSFO (Ultra Low Sulphur Fuel Oil). ULSFO обычно дороже VLSFO из-за более сложного процесса производства.
Система подачи тяжёлого топлива
Для оптимального использования тяжёлого топлива, требуется его предварительный подогрев, чтобы снизить вязкость и достичь подходящей температуры для прокачки и сгорания. Этот подогрев может быть выполнен с помощью нагревателей, которые могут быть электрическими или работать с использованием пара или горячего масла. Насос мазута, лезвие и предварительный подогреватель должны иметь системы подогрева, чтобы избежать охлаждения топлива и поддерживать его вязкость в пределах, подходящих для прокачки и сгорания.
Система подачи топлива для мазутных горелок состоит из двух частей: первичной (переноса) и вторичной (основной). В первичной системе происходит подготовка и поддержание мазута до достижения условий, подходящих для его подачи во вторичную систему. Вязкость топлива на выходе из первичной системы должна быть менее 75 сантиметросток, поэтому мазут должен быть нагрет до температуры около 70-80 градусов Цельсия. Для обеспечения необходимого давления в насосе основного горелочного контура, мазут на выходе из первичной системы должен иметь давление 3-4 бара.
В первичной системе топливо проходит через клапан и фильтруется через фильтр с крупными ячейками, удаляя крупные примеси. Затем топливо поступает в насос и под давлением 3-4 бара подается в вторичную систему.
Во вторичной системе топливо сначала проходит через фильтр с мелкими ячейками, затем поступает в насос, где давление топлива повышается до 25 бар и подается в предварительный подогреватель. В предварительном подогревателе топливо нагревается, чтобы его вязкость стала подходящей для распыления. После прохождения подогревателя топливо поступает в горелку.
Компоненты системы подачи топлива
Система подачи топлива представляет собой набор критически важных компонентов, предназначенных для хранения, очистки, транспортировки и подготовки тяжёлых топлив, для эффективного сгорания в котлах и горелках. Эти компоненты работают в тесной взаимосвязи, обеспечивая оптимальные условия для распыления, смешивания с воздухом и воспламенения топлива. Далее приведено описание и анализ каждого из этих компонентов:
Ежедневный резервуар
Этот резервуар используется для хранения топлива. Температура топлива в этом резервуаре должна поддерживаться в пределах, позволяющих его прокачку, в зависимости от типа тяжёлого топлива.
Фильтр
Из-за большого содержания примесей в тяжёлых топливах очищается в несколько этапов, чтобы предотвратить попадание загрязняющих частиц в сопла и лезвия горелки.
Первичный насос
Этот насос представляет собой насос с положительным перемещением и находится в первичной системе. Он повышает давление топлива до 4 бар. После этого топливо поступает во вторичную систему.
Вторичный насос
Этот насос находится во вторичной системе и повышает давление топлива до 25 бар. Насосы, используемые для тяжёлых топлив, таких как мазут, обычно оснащены встроенными нагревателями. Эти нагреватели устанавливаются прямо внутри насоса и помогают топливу достичь нужной температуры до того, как оно попадет в систему сгорания. Особенно важны такие насосы в моменты, когда горелка не работает, поскольку они поддерживают постоянную температуру топлива. Без нагревателя температура топлива снижается, и его вязкость увеличивается, что может привести к задержке топлива в насосах и нарушению работы системы.
Подогреватель мазута
Подогреватель — это теплообменник, который, используя различные источники тепла, передает тепло мазуту. Источниками тепла могут быть электричество, пар или горячее масло. В подогревателях мазута с электрическим источником тепла используются электрические элементы, которые размещаются внутри камеры и при прохождении тока нагреваются, выделяя тепло. Это тепло передается в топливо, нагревая его до температуры, при которой вязкость снижается, и создаются необходимые условия для эффективного сгорания.
Форсуночный блок, оснащённый нагревателем
Смесительное устройство в горелках является частью системы сгорания, и его основная задача — транспортировка топлива к камере сгорания. Смесительные устройства, используемые для тяжёлых топлив, таких как мазут, должны быть оснащены нагревателями. Вокруг смесительного устройства размещены спирально расположенные нагревательные элементы, которые постоянно прогревают топливо внутри устройства. Нагреватель вокруг смесительного устройства помогает поддерживать температуру топлива в оптимальном диапазоне, снижая его вязкость, что облегчает распыление топлива.
Методы сгорания тяжёлого топлива
Для эффективного сгорания тяжёлых топлив, необходимо сначала испарить топливо и перевести его в газообразную фазу. Этот процесс требует преобразования жидкого топлива в очень мелкие капли, чтобы увеличить площадь его контакта с воздухом и обеспечить полное сгорание. Это достигается через процесс распыления топлива. Обычные методы распыления тяжёлого топлива включают распыление под давлением (pressure atomization), распыление с использованием воздуха или пара (air/steam atomization) и метод с вращающейся чашей (rotary cup), каждый из которых будет рассмотрен ниже.
Распыление под давлением (Pressure Atomization)
Распыление под давлением — один из распространённых методов для превращения жидкого топлива в мелкие капли в процессе сгорания. В этом методе топливо подвергается высокому давлению (до 25 бар) и проходит через небольшое сопло. При прохождении через сопло скорость топлива увеличивается, что способствует его превращению в мелкие капли. Эти капли, из-за низкого давления, испаряются и затем смешиваются с воздухом для сгорания. Для эффективной работы этого метода необходимо предварительное подогревание топлива для уменьшения его вязкости и облегчения прохождения через сопло. Также поддержание высокого давления играет ключевую роль в обеспечении равномерного распыления и стабильности процесса.
Распыление с помощью воздуха или пара (Air/Steam Atomization)
Распыление с помощью воздуха или пара — эффективный метод превращения жидкого топлива в мелкие капли, при котором используется сжатый воздух или пар. В этом методе топливо подается под меньшим давлением по сравнению с распылением под давлением (обычно до 10 бар), при этом воздух или пар также подаются с аналогичным давлением (до 10 бар) через сопло. Внутри сопла топливо и воздух или пар проходят через небольшое отверстие, и поток воздуха или пара с высоким сдвигом преобразует топливо в очень мелкие капли. Эти капли равномерно распределяются в камере сгорания, быстро испаряются и смешиваются с воздухом для сгорания.
Метод распыления с использованием воздуха или пара является одной из ключевых технологий в процессе сгорания, направленных на улучшение качества распыления топлива, повышение эффективности сгорания и снижение выбросов загрязняющих веществ. Этот метод особенно эффективен для тяжёлых и вязких топлив, таких как мазут, и помогает улучшить работу сжигающих систем.
Метод с вращающейся чашей (Rotary Cup Atomization)
Метод распыления топлива с использованием вращающейся чаши (Rotary Cup) — это эффективный способ превращения жидкого топлива в мелкие капли. В этом методе топливо подается в вращающееся устройство, называемое «вращающаяся чаша», которое вращается с высокой скоростью. Это вращение создает центробежную силу, которая заставляет топливо превращаться в мелкие капли, которые выбрасываются с края чаши. Когда топливо выходит из вращающейся чаши, поток воздуха с высокой скоростью сталкивается с потоком топлива. Это столкновение создает сдвиговую силу, которая разлагает топливо на мелкие капли.
Метод с вращающейся чашей эффективен для тяжёлых топлив, таких как мазут, потому что он превращает топливо в мелкие капли и с помощью высокоскоростного воздушного потока улучшает процесс испарения. Учитывая наличие примесей в мазуте, использование метода с вращающейся чашей помогает избежать таких проблем, как засорение сопел горелок. Однако этот метод может привести к большему количеству выбросов загрязняющих веществ.
Обслуживание этого метода требует больше усилий по сравнению с двумя другими методами, поскольку в нем используются электродвигатели и вращающиеся элементы, такие как ремни и шкивы, которые требуют большего внимания и регулярного обслуживания. Эти устройства, работая на высокой скорости, подвержены большему износу и повреждениям, что требует частых ремонтов и обслуживания.
Почему суда продолжают использовать тяжёлое топливо (судовое топливо)?
Несмотря на экологические вызовы и юридические ограничения, судовое топливо (HFO, мазут) по-прежнему применяется на значительной части мирового морского флота. Основные причины:
Экономическая выгодность:
Тяжёлое топливо — самый дешёвый вариант среди судовых топлив, поскольку оно является остаточным продуктом переработки сырой нефти. Его цена существенно ниже, чем у лёгких топлив, таких как морской дизель или низкосернистые варианты, что особенно важно для крупных судов с высоким расходом топлива.
Использование скрубберов (систем очистки дымоходных газов):
Многие суда вместо перехода на низкосернистые топлива (VLSFO) устанавливают скрубберы. Эти системы удаляют оксиды серы из выхлопных газов, позволяя продолжать использование высокосернистого топлива (HSFO).
В долгосрочной перспективе судовое топливо экономически выгодно, так как разница в цене между HSFO и VLSFO часто покрывает затраты на установку и обслуживание скрубберов.
Совместимость с существующими крупными двигателями:
Большинство двигателей на крупных судах проектированы для работы на вязких и тяжёлых топливах. Продолжение использования HFO для такого флота не требует радикальных изменений в двигателе или топливной системе, что делает его технически и экономически обоснованным.
