Содержание серы (Sulphur) в топливе

Соединения серы являются естественными компонентами сырой нефти, поэтому они всегда будет присутствовать и в остаточных топливах. Основой тяжёлых топлив являются остаточные фракции глубокой переработки нефти, в которых концентрируются сера и её высокомолекулярные соединения.

В связи с ростом цен на нефть и нефтепродукты нефтеперерабатывающие компании совершенствуют процессы переработки нефти, в связи с чем количество остаточных фракций снижается, а содержание серы и её соединений в них увеличивается. Поэтому, чем выше плотность топлива, тем больше в нём содержания серы. Как показывают результаты мониторинга анализов проб топлива относительно содержания серы в топливе, выполненные различными лабораториями по всему миру, за трёхлетний период, содержание серы в морских сортах остаточных топлив находится на уровне ~3,0%.

В процессах переработки нефти кипение и испарение соединений серы происходит при высоких температурах, что обуславливает их большее присутствие в остаточных топливах, чем в дистиллатах. Низковязкие морские сорта остаточных топлив содержат минимальные количества серы, так как они производятся путём смешивания низкокипящих остаточных фракций переработки нефти с дистиллатами.

Морской рынок является основным потребителем высокосерных топлив. Это связано с запрещением их использования в стационарных теплоэнергетических установках, в соответствии с законами об охране окружающей среды принятых, в большинстве индустриально развитых странах.

Использование высокосерных топлив приводит к коррозионным повреждениям узлов и деталей дизельных установок. В процессе сгорания топлива образуются двуокись (SO₂) и трёхокись (SO₃) серы. В зависимости от условий и показателей работы дизеля, таких как: коэффициент избытка воздуха, значения температур и давлений, некоторая часть этих газов преобразуется в сернистую кислоту (раствор SO₂ в воде) и серную кислоту - H₂SO₄. В основном, эти кислоты образуются при температурах ниже точки росы. Сернистая кислота образуется в диапазонах температур между 50^оС и 60^оС, а серная кислота между 110^оС и 150^оС. Воздействия кислоты приводят к коррозии в низкотемпературных зонах цилиндров двигателя и котлах, поэтому этот вид коррозионных разрушений иногда называют «низкотемпературная коррозия».

Для успешной борьбы с коррозией, смазочные масла должны иметь достаточно высокое содержание щелочных присадок, которые нейтрализуют коррозионно-активные сернистые соединения, образующиеся в процессе сгорания. Нейтрализующая способность масел характеризуются “Общим щелочным числом” (ОЩЧ), оцениваемое в мгКОН/г•масла или принятым в мировой практике термином “Total Base Number” – TBN. Чем выше ОЩЧ (TBN), тем выше его нейтрализующая способность. Негативные последствия, возникающие в процессе сжигания высокосернистых топлив, могут быть сведены к минимуму за счёт поддержания правильных тепловых режимов работы дизелей и применение смазочных масел с оптимальным содержанием в них щелочных присадок. Особое внимание следует уделять участкам газовыпускных систем, поддерживая в них температуры выше «точки росы».

В процессе сгорания, не менее важным, является соотношение количеств ванадия и серы содержащихся в топливе. Образующаяся в процессе сгорания топлива пятиокись ванадия (V₂O₅), действует как катализатор, способствуя формированию SO₃ (с последующим переходом в H₂SO₄), в результате увеличивается температура точки росы. В результате образуется большее количество серной кислоты, которая истощает щелочные присадки в маслах и интенсифицируя низкотемпературные коррозионные процессы.

При выборе масла и его дозировки необходимо исходить из значения его ОЩЧ (TBN) и содержания серы в топливе, основываясь на рекомендациях фирм – двигателестроителей. Избыток моющих присадок в масле, если они не расходуются при низком содержании серы в топливе, основу которых составляет кальций (Са), аккумулируются виде твёрдых отложений на головках поршней и канавках поршневых колец. Это приводит к соскабливанию масляной плёнки с рабочей поверхности втулки, вызывая непосредственный контакт металла колец с металлом втулки и её полировке (поверхность становится подобной зеркалу). Если поверхность слишком гладкая и отполирована, то это приводит к тому, что масло не может удерживаться на поверхности, что в свою очередь вызывает ускоренный износ поверхности. Указанные факторы увеличивают риски образования “залегания” поршневых колец в канавках и задиров поверхности втулки. В результате повышается вероятность возникновения интенсивных износов и повреждений ЦПГ дизелей.

По рекомендациям фирм – двигателестроителей и ведущих компаний изготовителей масел необходимо:

• снижать расход цилиндрового масла при высоких значениях TBN масла и низких значениях содержания серы в топливе; 
• увеличивать расход цилиндрового масла при низких значениях TBN масла и высоких значениях содержания серы в топливе. 

Рис. 1. Оптимальная удельная дозировка подачи цилиндрового масла в зависимости от содержания серы в топливе и ОЩЧ (TBN)

В мировой практике основным цилиндровым маслом является масло имеющее TBN = 70 (TBN 70). В связи с ограничениями по содержанию серы в топливе принятыми Международными соглашениями, региональными и национальными Правилами принят ряд ограничений по содержанию серы в морских сортах топлива. Это приводит к тому, что на судах должны использоваться цилиндровые масла как с низким, так и с высоким содержанием TBN. На рис.1, приведена рекомендация фирмы MAN B&W иллюстрирующая оптимальную удельную дозировку подачи цилиндрового масла в зависимости от содержания серы в топливе и значения TBN масла. При выборе дозировки подачи цилиндрового масла рекомендуется использовать следующую зависимость:

где: F – коэффициент расхода,F = 0,26 – 0,34; S – содержание серы в топливе, в % по массе; 70– значение общего щелочного числа базового цилиндрового масла, имеющего TBN 70; Х - значение общего щелочного числа (TBN) цилиндрового масла имеющего другое (меньшее) значение. Например, рис.1, если использовать цилиндровое масло, имеющее TBN =40, то при содержании серы в топливе S=2,0%, его оптимальные дозируемые значения будут в пределах:

Если использовать базовое цилиндровое масло, имеющее TBN=70, при том же содержании серы в топливе S=2,0%, то оптимальные дозируемые значения масла будут в пределах: