Электродуговая обработка топочных мазутов

УДК 66.086.2

Р. Е. Липантьев, Х. Э. Харлампиди, В. П. Тутубалина

ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ОБРАБОТКА ТОПОЧНЫХ МАЗУТОВ

Ключевые слова: мазут, сераорганические соединения, групповой состав, электродуговой реактор.

Проведены исследования качественных показателей топочных мазутов М40 и М100 до и после электродуговой обработки. Результаты исследования показали, что электродуговая обработка значительно влияет на групповой состав мазутов и содержание в них сераорганических соединений.

Keywords:Fuel oil, organic sulfur compounds, the group composition, electric arc reactor.

The research quality indicators of fuel oil M40 and M100 before and after electric treatment. The results showed that the electric arc process significantly affect the group composition of fuel oil and the content of organic sulfur compounds.

В настоящее время во всем мире наметилась тенденция к увеличению добычи и переработки высокосернистой нефти и непрерывному возрастанию ее доли в нефтяном мировом балансе. Существующие технологические схемы переработки высокосернистой нефти позволяют получать мазуты только с высоким содержанием серы 2-5 % [1, 2].

Мазуты, полученные из сернистой нефти, характеризуются высоким содержанием асфальтенов, высокомолекулярных конденсированных структур, ароматических углеводородов и сернистых соединений. Такие мазуты образуют при сгорании в топках котлов большое количество серосодержащих веществ, которые негативно влияют не только на сам котлоагрегат, но и на окружающую среду в целом. С целью снижения вышеназванных недостатков нами была использвана технология предварительного электродугового обессеривания мазута, основанная на термическом крекинге, осуществляемом в электрических разрядах [3, 4].

Исследования были направлены на проведение ряда испытаний, направленных на изучение качественных характеристик мазутов до и после электродуговой обработки. Объектами исследования послужили топочные мазуты М40 и М100 Нижнекамского НПЗ, соответствующие ГОСТ 10585-99.

В исследуемых образцах мазутов М40 и М100 определяли содержание общей серы и сераоргани-ческих соединений и количественное содержание фракций углеводородов с 4ип =350-400°С и ¿кип =400-500 °С, а также групповой состав мазутов до и после обессеривания в электродуговом реакторе. Полученные данные приведены в табл. 1-2.

Содержание сераорганических соединений во фракциях I и II определялось по формуле:

S _ Sобщ • Мф,

М

%

S

где Sобщ - содержание общей серы во фракции (определяли методом сжигания по ГОСТ 3877-88), %; Мфр - молекулярная масса фракции (определяли

эбуллиоскопическим методом), а.е.м.; М8 - молекулярная масса атома серы, а.е.м.

Из табл. 1 следует, что после обессеривания в электродуговом реакторе количество сераорганиче-ских соединений в топливах снижается в 7,8 раза

для мазута М100 и в 10 раз для мазута М40.

Таблица 1 - Содержание общей серы и сераорганических соединений в мазутах М40 и М100 до и после обессеривания в электродуговом реакторе

Марка мазута Содержание общей серы, % Содержание сера-органических соединений, %

До обес-сери-вания После обессери-вания До обес-серивания После обессери-вания

М40 3,05 0,3 51,4 5,05

М100 3,5 0,42 60,0 7,72

Для проведения исследования группового состава мазут разделяли путем вакуумной разгонки при остаточном давлении 8 мм. рт. ст. на две широкие фракции с пределами начала и конца температуры кипения: 350-400°С (I фракция - легкий вакуумный газойль) и 400-500°С (II фракция - тяжелый вакуумный газойль).

После отгонки фракций углеводородов с ^кип =350-400°С из мазутов М40 и М100 остаются углеводороды с ¿кип =400-500 °С, составной частью которых являются асфальто-смолистые вещества, представляющие собой сложную смесь поликонденсиро-ванных соединений темного цвета. Смеси существуют в растворенном состоянии или в виде коллоидных систем и ассоциированных дисперсий [5, 6].

Соотношение содержания фракций с различной температурой кипения углеводородов приведено в табл. 2. После процесса обессеривания изменилось количество фракций углеводородов с 4ип =350-400°С в 2,2 раза для мазута М40 и в 1,4 раза для мазута М100. Выход фракций углеводородов с 4ип =400-500°С в мазутах М40 и М100 соответственно составил 81,92 % и 89,90 % от массы мазута.

Групповой состав фракций с 4ип =350-500°С мазутов М40 и М100 определен газохроматографиче-ским методом и приведен в табл. 3-4. Анализ группового состава фракций с 4ип =350-500°С мазутов М40 и М100 показал снижение содержания парафиновых углеводородов, соответственно, в 2,5 раза (мазут М40) и в 1,9 раза (мазут М100), что обеспе-

вой состав исследуемых мазутов М40 и М100. Результаты работы показали, что наиболее сильному изменению подвергались сераорганические соединения, являющиеся основным структурообразующим агентом мазута. Сераорганические соединения в силу наличия неподеленной пары электронов обладают способностью к взаимодействию с другими классами углеводородов и являются сильным ком-плексообразователем, обеспечивающим структуризацию системы мазута. В результате распада сераор-ганических соединений и удаления сероводорода, происходит образование новых структур и углеводородных фрагментов с меньшей молекулярной массой. Результатом протекающих процессов в электродуговом ректоре является улучшение эксплуатационных свойств мазутов: понижение условной вязкости, плотности, температуры застывания и повышение теплоты сгорания мазута, что в свою очередь приводит к уменьшению его расхода при сжигании в энергетических котлах.

Выводы

1. Найдено содержание общей серы и сераорга-нических соединений в мазутах М40 и М100 до и после обессеривания в электродуговом реакторе.

2. Определено количественное распределение фракций с различной температурой кипения в мазутах М40 и М100.

3. Изменяется групповой состав мазутов после электродуговой обработки, приводящий к снижению содержания парафиновых углеводородов, что обеспечивает улучшения физико-химических характеристик исследуемых котельных топлив.

Литература

1. Абрамов А.И., Елизаров Д.П., Ремизов А.Н. Повышение экологической безопасности ТЭС. М.: Издательство МЭИ. 2002. 301 с.

2. Гейм А.А., Костенко А.В. Повышение качества мазутов // Химия и технология топлив и масел. 2005 - №4.- С. 3-9.

3. Патент РФ №107152 МПК 010015/08 Устройство для подготовки высокосернистых мазутов к сжиганию // Ли-пантьев Р.Е., Тутубалина В.П. - Патентообладатель ФГБОУ ВПО «КГЭУ». - №2011112556; Заявл. 1.04.2011, Опубл. 10.08.2011.

4. Технологический процесс обессеривания мазута в электродуговом реакторе / Липантьев Р.Е., Харлампиди Х.Э. // Вестник Казанского технологического университета. -2014. - Т.17, №2. - С. 287-289.

5. Большаков Г.Ф. Сераорганические соединения нефти. Новосибирск: Наука, 1986. 243 с.

6. Химия нефти: руководство к практическим и лабораторным занятиям / И. Н. Дияров, Р. Ф. Хамидуллин, Н. Л.

Из данных таблиц I-4 следует что в пр°цессе Солодова; М-во образования и науки России, КНИТУ -

обессеривания существенно меняется количество изд. 2-е, исп. и доп. - Казань: Изд. КНИТУ, 2013. - 540 с.

сераорганических соединений и изменяется группо-

© Р. Е. Липантьев, кандидат технических наук, dozor_energo@mail.ru; Х. Э. Харлампиди - д.х.н., проф., зав. каф. ОХТ КНИТУ; kharlampidi@kstu.ru; В. П. Тутубалина - д.т.н., гл. научн. сотр. КГЭУ.

© R. E. Lipantyev, candidate of Technical Sciences, dozor_energo@mail.ru; Kh. Е. Kharlampidi - Ph.D. in chemistry, professor, head of Chemical Technology, KNRTU, kharlampidi@kstu.ru; V. P. Tutubalina - doctor of technical sciences, chief researcher of Kazan State Power Engineering University.

чивает снижение их вязкости, плотности и температуры застывания.

Таблица 2 - Количественное распределение фракций с различной температурой кипения в мазутах М40 и М100 до и после обессеривания в электродуговом реакторе

Марка мазута Распределение узких фракций до обессеривания, % мас. Распределение узких фракций после обессерива-ния, % мас.

Фракция I Фракция II Фракция I Фракция II

М40 18,08 81,92 39,78 60,22

М100 10,80 89,90 15,20 84,80

Таблица 3 - Групповой состав мазута М40 (*кип =350-500°С) до и после обессеривания в электродуговом реакторе

Массовое со- До обессери- После обессе-

держание атомов вания ривания

углерода в мазуте М40, % мас.

В ароматических 55,6 57,49

структурах

В нафтеновых 29,3 36,51

структурах

В парафиновых 15,1 6,0

структурах

Ар./Пар. 3,68 9,58

Таблица 4 - Групповой состав мазута М100 (*кип =350-500°С) до и после обессеривания в электродуговом реакторе

Массовое со- До обессери- После обессе-

держание атомов вания ривания

углерода в мазуте М100, % мас.

В ароматических 42,3 48,9

структурах

В нафтеновых 29,7 36,1

структурах

В парафиновых 28,0 15,0

структурах

Ар./Пар. 1,51 3,26