Подготовка топлива в судовых условиях

Эксплуатационные показатели судов, надежность и эффективность эксплуатации дизелей могут быть существенно улучшены путем проведения на судах комплексной обработки горюче-смазочных веществ с помощью соответствующих систем подготовки и очистки, состоящих из отстойных цистерн, подогревателей, центробежных сепараторов, фильтров, гомогенизаторов, устройств для ввода химических присадок и др.

Необходимость и важность проведения работ по очистке и подготовке к использованию топлива и масла подтверждаются требованиями Правил технической эксплуатации (ПТЭ) дизелей.

В топливе содержатся различные примеси: вода, соединения серы, соли различных металлов, механические примеси.

В процессе подготовки топлива к сжиганию производится очистка его от примесей. Очистка осуществляется отстаиванием, сепарацией, фильтрацией и гомогенизацией.

Наиболее эффективным способом очистки дизельных и тяжелых топлив в судовых условиях является сепарация, при которой более тяжелые частицы отделяются под действием центробежных сил, возникающих при вращательном движении топлива в сепараторе.

Силы тяжести, действующие при отстое на механические примеси и воду, содержащиеся в высоковязких топливах, очень невелики, а расстояние, которое эти вредные вещества должны проходить при оседании на дно резервуара, велико. Поэтому эффективность отстоя невысока.

При сепарации центробежная сила во много тысяч раз превосходит силу тяжести, следовательно, и эффект очистки очень высок. Так как расстояние, которое примеси должны проходить в барабане сепаратора при отделении от топлива, значительно меньше, чем при отстое в цистерне, то процесс сепарации является почти мгновенным.

Рис. 1. Отстой и сепарация нефтепродукта: а - неподвижная цистерна; б - цистерна, вращающаяся с большой скоростью.

На рис.1 приведены два эскиза цилиндрической плоскодонной цистерны, содержащей смесь нефтепродукта (топлива), воды и механических примесей. Неподвижная цистерна (рис. 1, а) на ¾ заполнена указанной смесью, а поступление потока смеси через питательный трубопровод 1 прекращено. Все три компонента смеси стали разделяться под действием силы тяжести (отстой). Механические примеси 4 осели на дно топливо 2 всплыло наверх, а вода 3 заняла промежуточное положение. Цистерна вращается с большой скоростью относительно вертикальной оси, и содержимое подвергается действию центробежной силы (Рис. 1, б). В результате этого все три компонента занимают примерно такое же положение, как при отстое. В связи с тем, что центробежная сила пропорциональна массе тела, механические примеси 4, которые в данном случае являются самыми тяжелыми, занимают дальнее положение от центра вращения, а топливо 2, которое является самым легким, располагается ближе к центру вращения цилиндра. Между ними располагается слой воды 3, который имеет промежуточную плотность.

Если по питательному трубопроводу 1 непрерывно подается смесь, то такое же количество чистого топлива непрерывно выходит через горловину цистерн (барабана). Этот метод удаления жидкости без остановки вращающегося барабана применен в сепараторах.

Прежде чем часть смеси выходит через горловину из цилиндра, она проходит путь, начиная со дна цилиндра и до его верха. При этом она все время подвергается действию центробежной силы, и самые тяжелые частицы смеси отбрасываются от центра вращения на самое дальнее расстояние. Поэтому часть содержимого, выходящая непрерывно через горловину барабана вследствие вытеснения дополнительной смесью, поступающей через питательный трубопровод, является чистым нефтепродуктом.

Для сокращения расстояния, проходимого тяжелыми частицами смеси до того, как они отделятся от более легких частиц, смесь в барабане разделяют на тонкие слои посредством множества конических дисков, расстояние между которыми около 1...5 мм (рис. 2). Конические диски вращаются вместе с барабаном.

Рис. 2. Схема движения механических примесей, воды и очищенного топлива между дисками барабана сепаратора.

В тонких слоях топлива, расположенных между каждой парой конических дисков, содержатся частицы механических примесей и воды. Центробежная сила стремится отбросить их в направлении от оси вращения барабана, т. е. к его внутренней поверхности. Однако движению частиц в этом направлении препятствуют нижние поверхности дисков, следовательно, частицы механических примесей и вода вынуждены сползать вниз по этим поверхностям, как показано стрелками 2.

Очищенное топливо как более легкий компонент смеси, наоборот, стремится занять более близкое положение к оси вращения барабана. Но так как движению очищенного топлива в перпендикулярном направлении препятствует верхняя сторона каждого диска, то под напором вновь поступающей жидкости топливо проталкивается по зазорам между дисками вверх к выходу из барабана, как показано стрелками 1, т. е. в направлении, противоположном движению твердых частиц и воды. Подвод очищаемого нефтепродукта осуществляется через отверстия 3 в сепарационных (конических) дисках. Линия «у — у» — раздел жидких фаз — воды и нефтепродукта.

В процессе очистки механические примеси и вода собираются в кольцевом пространстве 4 (грязевой камере), образуемом пакетом дисков и внутренней поверхностью корпуса барабана, причем вода, двигаясь вверх и проходя над верхним коническим диском, как показано стрелкой 5, удаляется из сепаратора, а механические примеси оседают на внутренней поверхности барабана.

Сепараторы можно применять для очистки нефтепродуктов методами пурификации и кларификации.

Пурификация — это сепарирование, при котором от топлива отделяются грязь и вода.

Когда в топливе содержится мало воды, но загрязнение его значительно, применяют способ кларификации, при котором от топлива отделяются твердые примеси.

Барабаны сепараторов фирмы «Де Лаваль», собранные для работы в режимах пурификации и кларификации, показаны на рис. 3.

Рис. 3. Барабаны топливных сепараторов: а - пурификатор; б - кларификатор.

Пурификатор (рис. 3, а) имеет распределитель А, по которому необработанное топливо подается к дискам через имеющиеся в них распределительные отверстия 1 и 3. Здесь между дисками начинается сепарация топлива. Вода удаляется по каналу, образуемому верхним диском и крышкой барабана, через кольцевое отверстие. Очищенное топливо отводится тоже через кольцевое выпускное отверстие, но расположенное значительно ближе к оси вращения барабана. Механические примеси (шлам) отбрасываются как наиболее тяжелые частицы к периферии и оседают на внутренней стенке барабана.

Барабан-кларификатор, в отличие от пурификатора, имеет не два, а одно кольцевое выпускное отверстие, предназначенное только для отвода из сепаратора очищенного нефтепродукта (рис. 3, б). Топливо, прошедшее грубую очистку в пурификаторе, или неочищенное, не содержащее воду, подводится по распределителю А, так же как в пурификаторе, к нижней части барабана. Однако в отличие от пурификатора нефтепродукт не пропускается через отверстия в дисках, так как они заглушены вставкой, а направляется в обход нижней кромки распределителя, поступая к наружным концам дисков.

Далее начинается процесс тонкой очистки нефтепродуктов, который аналогичен процессу, происходящему в пурификаторе. Очищенное топливо движется в междисковых пространствах снизу вверх от периферии по направлению к оси вращения барабана и по каналу через кольцевое отверстие отводится наружу. Все отсепарированные из нефтепродуктов примеси остаются в грязевой камере.

Таким образом, так как в кларификаторе самый нижний диск не имеет распределительных отверстий, все вышележащие диски как бы экранизируются от поступающего в барабан топлива. Следовательно, топливо, подвергающееся кларификации, вынуждено двигаться к наружным концам этих дисков прежде, чем начнет перемещаться вверх и внутрь к оси вращения барабана. Топливо будет проходить в кларификаторе большее расстояние и находиться в барабане дольше. Следовательно, очистка будет более качественной.

Таким образом, кларификатор отличается от пурификатора только внутренним устройством барабана. Если необходимо, барабаны этих двух сепараторов можно приспособить так, что пурификатор будет работать как кларификатор, и наоборот. Например, достаточно в пурификаторе регулировочную шайбу 2 заменить крышкой, заглушить отверстия 1 и заменить верхний диск, как барабан может работать в режиме кларификации.

При работе по методу кларификации сепаратор запускают с сухим барабаном. После того как скорость вращения барабана достигнет необходимого значения, его постепенно наполняют топливом.

Перед работой по методу пурификации барабан сепаратора заполняют водой, нагретой до температуры очищаемого топлива. Налитая вода образует так называемый водяной затвор, обеспечивающий непрерывный отвод воды. Количество воды, содержащееся в водном затворе, может уменьшаться вследствие испарения или по другим причинам.

Сепаратор работает нормально до тех пор, пока вертикальная линия соприкосновения между топливом и водяным затвором не переместится по направлению к стенке барабана до канала для выпуска воды, образованного удлиненным верхним конусным диском и крышкой барабана. С этого момента топливо начнет выходить из отверстия для выпуска воды.

Качество очистки и количество топлива в отходах зависят от величины внутреннего диаметра регулирующей шайбы. Поэтому к каждому сепаратору прилагается комплект регулирующих шайб с различными внутренними диаметрами, которые подбирают в зависимости от плотности сепарируемого топлива. При нормальных условиях эксплуатации сепаратора содержание топлива в отсепарированной воде не должно превышать 1%.

Метод пурификации целесообразно применять при наличии в топливе 3% и более воды и незначительного количества механических примесей (менее 0,3%). Методом кларификации рекомендуется пользоваться тогда, когда в топливе мало воды, но загрязнение его механическими примесями значительно.

Если топливо сильно обводнено и засорено механическими примесями, то применяют двухступенчатый метод очистки двумя сепараторами, включенными последовательно. Сначала топливо пропускают через сепаратор, собранный на работу по методу пурификации, а затем через кларификатор. Работа пурификатора и кларификатора, соединенных последовательно, считается нормальной, если в первом удаляется из топлива 85% примесей, а во втором 15%.

Механические примеси, скапливающиеся в грязевой камере сепаратора, удаляются оттуда вручную, причем сепаратор необходимо остановить. Очистка барабанов и дисков требует много времени и труда. Поэтому в последнее время находят все более широкое применение так называемые самоочищающиеся сепараторы, которые можно очищать без вскрытия, что создает большие удобства в эксплуатации и повышает производительность и ресурс сепараторов. Из самоочищающихся сепараторов грязевые отложения удаляют через периодически открываемые или постоянно открытые щели в барабане.

Нефтепродукт, подлежащий сепарации, поступает в барабан самоочищающегося сепаратора по трубопроводу 13 (рис. 4). Очищенный нефтепродукт отводится по трубопроводу 11. Так как барабан работает по способу кларификации, его горловина закрыта крышкой 12. Грязевая камера 10 выполнена конусообразной. В корпусе барабана по окружности расположены окна 2, закрытые в рабочем положении подвижным поршнем (фальшднищем) 3. Под поршнем имеется камера 4, заполненная водой, подаваемой из отдельной цистерны по трубопроводу 7.

Рис. 4. Барабан самоочищающегося сепаратора.

При вращении барабана центробежная сила, действующая на содержимое барабана, стремится его открыть, т. е. опустить подвижное днище 3 вниз. Однако оно удерживается в верхнем положении напротив уплотнительного кольца 1 давлением воды, создаваемым тоже под действием центробежной силы в камере 4.

Перед очисткой барабана подачу рабочей воды переводят из камеры 4 в камеру 5, переключая ее с трубопровода 7 на трубопровод 8. В результате этого в камере 5 создается давление, которое отжимает кольцо 6 вниз, и через открывшиеся клапаны 9 рабочая вода вытекает из камеры 4. После этого подвижное днище 3, освобожденное от давления воды в камере 4, отжимается вниз центробежной силой содержимого барабана на долю секунды и шлам из грязевой камеры выталкивается наружу через выпускные окна 2.

Таким образом, шлам из грязевой камеры удаляется автоматически, путем открытия выпускных окон при полных оборотах барабана.

Кроме дисковых сепараторов, применяют сепараторы роторного (трубчатого) типа.

Частота вращения роторов в сепараторах трубчатого типа 200...750 с^-1 (12000...45000 об/мин), в сепараторах дискового типа 67... 150 с^-1 (4000...9000 об/мин).

Для эффективной сепарации тяжелые топлива необходимо предварительно подогревать до определенной температуры и снижать производительность сепаратора. Маловязкие топлива сепарируют без подогрева при полной производительности сепаратора, средневязкие — с подогревом до 75...85°С при производительности 30% полной, а высоковязкие — с подогревом до 96...98°С при производительности не более 15% полной. Повышение температуры более 98°С недопустимо, так как возникает опасность разрушения водяного затвора в сепараторе.

Каждая сепарационная установка должна иметь трубопровод горячей воды, подача которой в сепаратор необходима для прогревания его перед пуском и для промывания барабана во время очистки. Вместо горячей воды рекомендуется применять водные растворы химических моющих препаратов, например раствор химического препарата «Поликлепс».

Метод сепарации имеет и недостатки. Так, снижение механических примесей и воды сопровождается потерями горючей части топлива — тяжелых ее компонентов. Эти потери могут достигать 2...3% (в ряде случаев до 6 ...8%). Кроме того, подогрев топлива усиливает окислительные процессы, в результате в топливе повышается содержание смолистых веществ.

В последние годы в связи с увеличением плотности применяемых топлив метод сепарации утрачивает свое значение как универсальный метод. Это объясняется сложностью отделения воды от топлива (плотности их мало отличаются) и изменением отношения эксплуатационников к содержанию воды в топливе. Установлено, что в топливе повышенной и высокой вязкости при-сутствие воды в тонкодисперсном состоянии (в виде топливоводяных эмульсий) не вредно (как считалось ранее), а полезно, так как при сжигании такой эмульсии повышается полнота сгорания топлива. В связи с этим из топлива повышенной вязкости можно воду не удалять (при содержании воды не более 5%).

Маловязкие топлива необходимо освобождать от воды, так как образование в них топливоводяных эмульсий затруднительно. Воду из вязких топлив необходимо удалять только при аварийных ее содержаниях (более 5%) и очистку можно производить не с помощью сепараторов, а путем фильтрации. Необходимо удалять из топлива морскую воду при любом ее содержании.

Очистка топлива сепараторами не исключает необходимости применения в системах фильтров. Это объясняется тем, что механические частицы, размер которых колеблется от 1 до 10 мкм, не отделяются при сепарировании.