Мазут: свойства и сферы применения

Мазутом называют тяжелое нефтяное топливо, которое представляет собой остатки (от араб. makhzulat — «отбросы»), получаемые при перегонке нефти, продуктов ее вторичной переработки и газоконденсата. Его выделяют при температуре выкипания до 350 ⁰С после отгонки из сырья легких и средних топливных фракций: бензина, керосина и газолина. Полученная густая темная жидкость имеет ряд ценных свойств, которые способствуют ее применению в различных сферах. Рассмотрим их более подробно, а также где используют этот нефтепродукт и для каких целей.

Свойства

Применение мазута зависит от его физико-химических показателей. Их определяет состав исходного нефтяного сырья и степень его переработки.

Химический состав

Мазут представляет собой смесь углеводородов, нефтяных смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов и органических соединений. Их содержание и молекулярная масса варьируются в достаточно широких пределах.

Нефтепродукт состоит из следующих химических элементов:

• углерод — в объеме от 83 до 87 %;
• водород — от 10 до 12 %;
• сера — от 1 до 3,5 %;
• кислород и азот — от 0,2 до 1,9 %.

В состав также могут входить вода и механические примеси.

Вязкость

Данная характеристика мазута является главной, так как от ее значения зависят затраты энергии на перекачивание по трубопроводам, эффективность распыления в форсунках, время слива из цистерн, баков, танкеров и других емкостей.

Для оценки часто используют понятие условной вязкости (УВ), которая равна отношению времени истечения мазута в объеме 200 мл при данной температуре к времени истечения идентичного количества воды при 20 ⁰С. Ее измеряют в градусах (⁰УВ) вискозиметром при температурах 50 и 80 ⁰С согласно ГОСТ 6258.

Большинство марок мазута имеют условную вязкость в пределах 5–12 ⁰УВ при 50 ⁰С, что недостаточно не только для его распыления через форсунку, но и для простой перекачки из цистерн. Поэтому для повышения текучести нефтепродукта его подогревают до 60–70 ⁰С. При нагревании происходит плавление твердых парафинов и церезинов, что снижает вязкость. Однако прекращение термической обработки возвращает мазут на прежний уровень вязкости.

Влияние подогрева на вязкостные свойства зависит от величины начальной температуры. При нагревании мазута с 40 до 60 ⁰С условная вязкость снижается в 4 раза, а при подогреве со 100 до 120 ⁰С только в 2 раза. Данное обстоятельство связано с образованием углеводородами жестких структурных связей при относительно низких температурах.

Также на вязкость мазута влияет давление. Чем оно выше, тем выше вязкостные свойства. И чем сложнее молекулярное строение углеводородов, тем большее влияние оказывает давление.

Плотность

Данный показатель отражает товарное качество нефтепродукта, так как используется при расчете объемов резервуаров, количестве энергии, требующейся для подогрева и т. д. Плотность мазута для большинства марок лежит в диапазоне 890–1020 кг/м³. Она повышается с увеличением вязкости. Отношение плотности мазута к плотности воды, имеющей температуру 20 ⁰С, составляет 0,95–1,06. Поэтому с уменьшением плотности легче отделяется вода, которая может образовываться, например, при конденсации водяного пара в металлических резервуарах. Ее массовая доля в нефтепродукте не должна превышать 0,3–1 %.

Температуры вспышки, самовоспламенения и застывания

Важными свойствами мазута для его безопасного и экономичного использования, хранения и перевозки являются температурные характеристики, при которых он может воспламеняться, застывать или взрываться.

Температура, при которой пары образуют с воздухом горючую смесь при поднесении открытого огня, составляет от 80 до 110 ⁰С. Это температура вспышки. Горение при этом мгновенно прекращается. Испытания проводят в закрытом и открытом тигле в зависимости от марки мазута.

Если продолжать подвод тепла, то при некотором значении температуры воспламенения, которая лежит в пределах 91–155 ⁰С, жидкость зажигается от открытого пламени и горит более 5 с.

Мазут может воспламеняться и без внешнего источника огня. Температура его самовоспламенения находится в диапазоне 500–600 ⁰С.

Смесь паров и воздуха в объемной концентрации от 1,4 до 8 % является взрывоопасной.

Важным параметром, знание которого необходимо при транспортировке, перекачивании и сливе нефтепродукта, является температура застывания. С учетом марки для мазута она составляет от -5 до +42 ⁰С и зависит от технологии производства. Например, верхняя граница диапазона соответствует видам, полученным прямой перегонкой нефти и особенно при крекинге процесса. Если температура нефтепродукта ниже границ застывания, то он теряет подвижность и требуется подогрев для возможности перемещения по мазутопроводам.

Зольность

Зола, образующаяся при сгорании мазута, приводит к появлению трудноудаляемого налета на форсунках, что требует их периодической чистки. Кроме этого, содержащиеся в ней химические вещества ускоряют коррозионное разрушение оборудования, а повышенная зольность увеличивает количество выбрасываемых в атмосферу загрязнений. Поэтому нормативными документами величина зольности ограничена пределами от 0,04 до 0,14 %.

Содержание серы

По содержанию серы мазуты разделяются на малосернистые с массовым содержанием до 1 % и высокосернистые (1–3,5 %). Чем выше содержание этого вещества, тем быстрее происходит коррозионное разрушение котельного оборудования. Содержащийся в продуктах сгорания серный ангидрид вступает в реакцию с кислородом и водяными парами, образует серную кислоту, которая вызывает коррозию.

Кроме того, содержание в топливе серы снижает его теплоту сгорания. Например, при количестве от 0,5 до 2,0 % она находится в диапазоне от 41 454 до 40 530 кДж/кг, а при 2,5–3 % снижается до 39 900 кДж/кг. Данный эффект связан с тем, что удельная теплота сгорания серы (10 885 кДж/кг) гораздо ниже, чем у нефтепродуктов.

Массовое содержание вещества, наряду с зольностью и температурой застывания, указываются в условном обозначении мазута при его заказе.

Применение

В зависимости от того, из какого сырья производится мазут и для каких целей его используют, выделяют три марки:

• Топочный М-40. Производится из отходов переработки нефти, но содержит от 8 до 15 % дизельных фракций, которые снижают температуру застывания до +10 ⁰С. Это уменьшает затраты на подогрев нефтепродукта и упрощает его транспортировку. Разновидность мазута относится к среднему котельному топливу, которое широко используется в сельском хозяйстве для питания теплогенераторов при сушке фруктов, зерна и других материалов.
• Топочный М-100. Получают из остатков перегонки нефти с добавлением газойлевых фракций, керосина и депрессорных присадок. Относится к категории тяжелых мазутов. Из-за высокой вязкости застывает при +25 ⁰С, что требует постоянного подогрева в процессе использования. Преимуществом является низкая стоимость и высокая теплота сгорания. Применяется в качестве топлива систем парового отопления, печей и различных технологических установок.
• Флотский Ф-5. Выделяют при перегонке нефти. В состав входят керосино-газойлевые компоненты в количестве до 22 %. Могут добавляться присадки для снижения температуры застывания. Состоит на 40 % из дизельного топлива и на 60 % из мазута, полученного прямой перегонкой нефти. Отличается высокой удельной теплотой сгорания, малым содержанием серы и других вредных веществ. Считается наиболее качественным видом мазута, который используется в качестве топлива для судовых энергетических установок.

Другой сферой применения мазута является производство строительных материалов, например, битума. Также к популярным продуктам переработки относятся остаточные масла, которые используются в качестве сырья при производстве смазочных материалов и гидравлических жидкостей.