Альтернативные топлива для судовых дизельных энергетических установок: Учебник

Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство морского и речного транспорта

ФГОУ ВПО
«НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

629.12
К 17

С.А. Калашников, А.Г. Николаев

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ТОПЛИВА ДЛЯ
СУДОВЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Учебник

Допущено
Министерством транспорта Российской Федерации в качестве
учебника в сфере высшего профессионального образования для
учебных заведений водного транспорта, обучающихся по
направлениям подготовки 180100 «Кораблестроение,
океанотехника и системы объектов морской инфраструктуры»,
180400 «Эксплуатация водного транспорта и транспортного
оборудования»

Новосибирск  2011

Посвящается 60-летию Новосибирской
государственной академии водного транспорта

УДК 620.92:629.12-8(07)
К 17

Рецензенты:
Л.А. Шеромов, д-р техн. наук, проф. Новосибирской государственной академии водного транспорта
Ю.В. Овчинников, д-р техн. наук, проф. Новосибирского государственного технического университета
В.А. Седых, д-р техн. наук, проф. Новосибирской государственной академии водного транспорта

Калашников С.А., Николаев А.Г.
Альтернативные топлива для судовых дизельных энергетических установок: учебник  – Новосибирск: Новосиб.  гос. акад. вод.
трансп., 2011. –  90 с.

ISBN 978–5–8119–0445–7

Рассмотрены вопросы классификации, свойств, топливоподготовки и
систем питания дизеля на различных видах топлива. Приведены основные сведения о традиционных и альтернативных топливах, используемых в дизельных энергетических установках речных судов. Рассмотрены синтетические горючие, газовые конденсаты, растительные и минеральные масла, спирты, нефть, водород, природный газ, эмульсии, твердые топлива. Указаны характеристики работы дизелей на различных видах топлива, особенности образования вредных выбросов.
Основное внимание уделяется вопросам использования экологически
чистых видов топлив.
Учебник предназначен для студентов вузов речного флота всех специальностей. Может быть использован специалистами речного транспорта.

©Калашников С.А., Николаев А.Г., 2011
©ФГОУ ВПО «Новосибирская
государственная академия водного
транспорта», 2011

Оглавление

Предисловие .................................................................................... 4
Глава 1 Виды топлив ....................................................................... 5
1.1 Традиционные виды топлив .................................................. 5
1.2 Альтернативные виды топлив ............................................. 12
Глава 2 Жидкие топлива ............................................................... 15
2.1 Синтетическое топливо ....................................................... 15
2.2 Газовый конденсат ............................................................... 24
2.3 Растительные масла ............................................................. 26
2.4 Спирты .................................................................................. 29
2.5 Сырая нефть ......................................................................... 34
Глава 3  Газообразные топлива .................................................... 41
3.1 Водород ................................................................................. 41
3.2 Природный газ и углеводородные газы .............................. 42
3.3 Аммиак.................................................................................. 53
Глава 4 Водотопливные эмульсии ................................................ 55
4.1 Физико-химические свойства водотопливной эмульсии... 55
4.2 Топливоподготовка и схемы питания дизеля ..................... 61
4.3 Особенности процесса сгорания ВТЭ ................................ 66
4.4 Характеристики работы двигателей на ВТЭ...................... 69
Глава 5 Твёрдые топлива .............................................................. 73
5.1 Некоторые свойства твёрдых топлив и суспензий из угля 73
5.2 Работа дизелей на сухом порошке каменного угля ........... 76
5.3 Работа дизелей на угольных суспензиях ............................ 78
5.4 Способ работы поршневых ДВС при внешнем сжигании
твердого топлива ........................................................................ 82
Заключение .................................................................................... 86
Список литературы ....................................................................... 88

ПРЕДИСЛОВИЕ

Нефть – наиболее эффективное сырьё для получения топлива,
используемого в транспортных двигателях (поршневых ДВС и
газовых турбинах). Однако запасы нефти ограничены, что обусловливает тенденцию к удорожанию топлива нефтяного происхождения. В связи с этим интерес к альтернативным источникам
и энергосберегающим технологиям повышается.
Анализируя ситуацию 2030 года, футурологи предсказывают возрастание в топливном балансе доли альтернативного жидкого топлива, в состав которого включают синтетическое топливо из угля и
природного газа, тяжелую нефть, нефтяные пески и сланцы, а также биотопливо, доля которого в этом списке составит 16 %.
Из-за удорожания топлива себестоимость перевозок повышается, что, с одной стороны стимулирует работы по увеличению
экономичности двигателей и совершенствованию транспортных
энергетических установок, а с другой – делает сравнительно дорогие альтернативные топлива конкурентоспособными с топливами нефтяного происхождения. К началу 21-го столетия доля альтернативных топлив в мире достигла 12 % всех энергоносителей.
Традиционно в судовых дизельных энергетических установках
(СДЭУ) применяются: дизельное и моторное топливо, а также
мазуты. Все топлива получают из нефти.
К альтернативным топливам для СДЭУ относятся: синтетические топлива, получаемые из каменного угля, газа и биомассы, газовый конденсат (или топлива из него), спирты, растительные и
минеральные масла, газы (водород, аммиак, природный и пропанбутановый газ). Условно к альтернативным топливам можно отнести водотопливные эмульсии и сырую нефть.
Наибольшие успехи достигнуты в использовании газа, для работы на котором выпускаются серийные дизели, как в нашей стране, так и за рубежом.
Резолюция, принятая Европейским экономическим сообществом, обязывает к 2020 г. перевести 23 % европейского автотранспорта на альтернативные топлива, в том числе 10 % – на природный газ, 8 – на биогаз и 5 % – на водород).

Глава 1 ВИДЫ ТОПЛИВ

Применяемые в судовых энергетических установках (СЭУ) топлива разделяют на две группы: традиционные (выработанные из
нефти) и альтернативные топлива.

1.1 ТРАДИЦИОННЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВ
В состав топлив нефтяного происхождения входит множество
углеводородов различного химического строения. В небольшом
количестве в топливе содержатся органические гетероатомные
соединения, в молекулах которых, кроме углерода и водорода,
имеются атомы серы, азота и кислорода.
Дизельные топлива (ГОСТ 305-82) получают компаундированием прямогонных и гидроочищенных фракций в соотношениях,
обеспечивающих требования стандарта по содержанию серы [19].
В качестве сырья для гидроочистки используют смесь среднедистиллятных фракций прямой перегонки и вторичных процессов,
чаще прямогонного дизельного топлива и легкого газойля каталитического крекинга. Содержание серы в прямогонных фракциях в
зависимости от перерабатываемой нефти колеблется в пределах
0,8÷1,0 % (для сернистых нефтей), а содержание серы в гидроочищенном компоненте – от 0,08 до 0,1 %. Топлива выпускаются
следующих марок (табл.1.1):
Л (летнее) – рекомендуемое для эксплуатации при температуре
окружающего воздуха 0 °С и выше;
3 (зимнее) – рекомендуемое для эксплуатации при температуре
окружающего воздуха минус 20°С и выше (температура застывания топлива не выше минус 35 °С) и минус 30 °С и выше (температура застывания топлива не выше минус 45 °С);
А (арктическое) – рекомендуемое для эксплуатации при температуре окружающего воздуха минус 50 °С и выше.
По содержанию серы дизельные топлива подразделяются на два вида:
I – массовая доля серы не более 0,2 %;
II – массовая доля серы не более 0,5 % (для марки А не более 0,4 %).
В условное обозначение топлива марки Л входит массовая доля
серы и температура вспышки. Например, топливо летнее с массовой долей серы до 0,2 % и температурой вспышки не ниже 62 °С
обозначается: Топливо дизельное Л-0,2-62 ГОСТ 305-82.

ГЛАВА 1 Виды топлив
6

По ТУ 38.001.355 выпускается дизельное топливо марки Л утяжеленного фракционного состава. Температура конца кипения у
него на 25÷30 К выше, чем у топлива, вырабатываемого по ГОСТ
305-82.
Для поставок на экспорт по ТУ 38.401-58-110-94 вырабатывают дизельное экспортное топливо (ДЛЭ) с содержанием серы
0,2 % (табл.1.1). Исходя из требований к содержанию серы, дизельное экспортное топливо получают гидроочисткой прямогонных дизельных фракций. Температура вспышки ДЛЭ несколько
выше, чем у топлива марки Л.
Таблица 1.1
Некоторые свойства дизельных топлив

Показатели 
Л, ГОСТ 
305-82 
Л, ТУ 
38.001.355 
ДЛЭ 

Плотность при 20 °С, кг/м3, не более 
860 
860 
860 

Кинематическая вязкость, мм2/с 
3,0÷6,0 
3,0÷6,5 
3,0÷6,0 

Цетановое число, не менее 
45 
45 
– 

Дизельный индекс, не менее 
– 
– 
53 

Фракционный состав: 
 
 
 

50 % перегоняется при температуре, °С, 
не выше 
280 
– 
280 

90 % перегоняется при температуре, °С, 
не выше 
– 
– 
330 

96 % перегоняется при температуре (конец перегонки), °С, не выше 
360 
– 
360 

Температура вспышки в закрытом тигле, 
°С, для тепловозных и судовых дизелей и 
газовых турбин не ниже: 

 
 
62 

 
 
61 

 
 
65 

Температура застывания для умеренной 
климатической зоны, °С, не выше 
минус 10 
0 
минус 
10 

По ТУ 38.1011348-89 выпускают экологически чистое дизельное топливо с содержанием серы до 0,05 % (вид I) и до 0,1 % (вид
II). Предусмотрен выпуск двух марок летнего (ДЛЭЧ-В и ДЛЭЧ)
и одной марки зимнего (ДЗЭЧ) дизельного топлива. С учетом ужесточающихся требований по содержанию ароматических углеводородов введена норма по этому показателю: для летнего топлива

1.2 Альтернативные виды топлив

высшего качества (ДЛЭЧ-В) – не более 20 %. Экологически чистые топлива вырабатывают гидроочисткой дизельного топлива.
Топливо дизельное ЕВРО (табл.1.2) выпускается по ГОСТ Р
52368-2005 (модифицированный международный стандарт
EN590:2004). Топливо вырабатывается для обычного климата, а
также для холодного и арктического (понижены вязкость, предельная температура фильтруемости, плотность, цетановое число, облегчен фракционный состав топлива). Предусмотрена дифференциация низкотемпературных свойств дизельных топлив: для умеренного климата – 6 сортов (A, B, C, D, E, F) с предельной температурой фильтруемости от +5 oС (сорт A) до минус 20 °С (сорт F).
Таблица 1.2
Некоторые свойства дизельного топлива ЕВРО

Наименование показателя 
Значение 

Цетановое число, не менее 
51,0 

Цетановый индекс, не менее 
46,0 

Плотность при 15 °С, кг/м3 
820 ÷ 845 

Содержание серы, мг/кг, не более, для топлива: 
 

– вид I 
350,0 

– вид II 
50,0 

– вид III 
10,0 

Температура вспышки в закрытом тигле, °С, выше 
55 

Кинематическая вязкость при 40 °С, мм2/с 
2,00 ÷ 4,50 

Фракционный состав: 
 

– при температуре 250 °С, % (по объему), менее 
65 

– при температуре 350 °С, % (по объему), не менее
85 

При изготовлении топлива ЕВРО из него вместе с сернистыми
соединениями и ароматическими углеводородами удаляются поверхностно активные вещества, выполняющие в обычном топливе функцию антикоррозийного агента. Для устранения этого недостатка в топливо нужно вводить соответствующие присадки.
В условном обозначении топлива указывают его сорт или класс
в зависимости от значений предельной температуры фильтруемости (для класса и температуры помутнения) и вид топлива в зависимости от содержания серы. Например, топливо дизельное ЕВРО
с предельной температурой фильтруемости не выше 5 °С и содержанием серы не более 350 мг/кг обозначается: Топливо дизельное
ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005 (EN 590:2004), сорт А, вид I.

ГЛАВА 1 Виды топлив
8

Судовое маловязкое топливо (СМТ) выпускается по ТУ
38.101.567. По своим показателям оно находится между дизельным и моторным топливами. Характеризуется несколько сниженным цетановым числом и повышенным содержанием серы, особенно меркаптановой.
Газотурбинные топлива по ГОСТ 10433-75 (табл.1.3) получают из дистиллятов вторичных процессов и прямой перегонки.
Вырабатываются двух марок:
А – для пиковых энергетических газотурбинных установок;
Б – для судовых и других энергетических газотурбинных установок с содержанием серы не более 1,0 или не более 2,5 %.
Эти топлива по ряду показателей значительно уступают дизельным, например, газотурбинные топлива обладают повышенными
температурой застывания, содержанием серы, большой склонностью к нагарообразованию и отложению смолистых веществ.
Моторные топлива (табл.1.3) выпускаются по ГОСТ 1667-68 двух
марок: ДТ – средневязкое моторное; ДМ – высоковязкое моторное
типа мазутов. Моторные топлива относятся к тяжелым топливам. Они
характеризуются высокой вязкостью, коксуемостью, зольностью,
содержанием большого количества серы и механических примесей.
Тяжелые топлива до поступления в топливную систему дизеля фильтруются, сепарируются, гомогенизируются, а также подогреваются.
Мазут (табл.1.4). В зависимости от назначения, содержания
серы и зольности устанавливаются следующие марки мазутов:
флотский Ф5 (вид II и вид IV), флотский Ф12, топочный 40 (малозольный и зольный), топочный 100 (малозольный и зольный).
Флотские мазуты по вязкости относятся к легким топливам. Топочный мазут марки 40 – топливо средней вязкости и марки 100 –
тяжелое топливо. Число в марке мазута указывает его ориентировочную вязкость при 50 °С.
Флотские мазуты получают из продуктов прямой перегонки
нефти. Основными отличиями мазута Ф-12 от Ф-5 являются более жесткие требования по содержанию серы и менее жесткие
требования по вязкости.
Топочные мазуты марок 40 и 100 изготовляют из остатков переработки нефти. В мазут марки 40 для снижения температуры зас

1.1 Традиционные виды топлив
9

тывания до 10 °С добавляют 8÷15 % среднедистиллятных фракций, в мазут марки 100 дизельные фракции не добавляют.
Флотский мазут представляет собой смесь около 80 % мазута прямой гонки и около 20 % керосиногазойлевых фракций крекинга.
В обозначение мазута должна входить марка и дополнительно:
– для флотского мазута Ф5 – классификация по сере. Например, флотский мазут Ф5, II вида;
– для топочных мазутов – классификация по сере, зольности и
температуре застывания. Например, топочный мазут 100, IV вида,
малозольный, с температурой застывания 25 °С.

Таблица 1.3
Некоторые свойства газотурбинных и моторных топлив

Газотурбинное
ГОСТ 1043375 

Моторное, 
ГОСТ 1667-68 

Показатели 

Марка Б 

ДТ 
высший 
сорт 

ДТ  
1-й 
сорт 
ДМ 

Плотность при 20 °С, кг/м3, не более 
935 
930 
930 
970 

Кинематическая вязкость при 50 °С, 
мм2/с, не более 
21,0  
20,0 
36,0 
130,0 

Фракционный состав: 
 
 
 
 

до температуры 250 °С перегоняется, 
% (по объему), не более 
– 
15 
15 
10 

Массовая доля серы, %, не более: 
2,5 
– 
– 
– 

– в малосернистом топливе 
– 
0,5 
0,5 
– 

– в сернистом топливе 
– 
1,5 
1,5 
2,0 

Температура вспышки в закрытом 
тигле, °С, не ниже: 
62 
70 
65 
85 

Температура застывания, °С, не выше
5 
минус 
5 
минус 
5 
10 

Массовая доля ванадия, %, не более 
0,0004 
0,01 
0,015 
0,01 

Низшая удельная теплота сгорания, 
кДж/кг, не менее 
39800 
– 
– 
– 

ГЛАВА 1 Виды топлив
10

Таблица 1.4
Некоторые свойства мазутов

Мазут ГОСТ 10585-99 
Показатели 
Ф5 
Ф12 
40 
100 

Плотность при 20 °С, кг/м3, не более 
955 
960 
Не нормируется 

Кинематическая вязкость, мм2/с: 
 
 
 
 

– при 50 °С, не более 
36,2 
89,0 
– 
– 

– при 80 °С, не более 
– 
– 
59,0 
– 

– при 100 °С, не более 
– 
– 
– 
50,0 

Низшая удельная теплота сгорания в 
пересчете на сухое топливо, кДж/кг, 
для мазута видов: 
 
 
 
 

– I, II, III, IV 
41454 
41454 
40740 
40530 

– V, VI, VII 
– 
– 
39900 
39900 

Зольность, %, не более, для мазута: 
 
 
 
 

– малозольного 
– 
– 
0,04 
0,05 

– зольного 
0,05 
0,10 
0,12 
0,14 

Температура вспышки, °С, не ниже: 
 
 
 
 

– в закрытом тигле 
80 
90 
– 
– 

– в открытом тигле 
 
 
90 
110 

Массовая доля серы, %., не более, для 
мазута видов:  
 
 
 
 

– I 
– 
– 
0,5 
0,5 

– II 
1,0 
0,6 
1,0 
1,0 

– III 
– 
– 
1,5 
1,5 

– IV 
2,0 
– 
2,0 
2,0 

– V 
– 
– 
2,5 
2,5 

– VI 
– 
– 
3,0 
3,0 

– VII 
– 
– 
3,5 
3,5 

Температура застывания, °С, не выше 
минус 
5 
минус 
8 
10 
25 

1.1 Традиционные виды топлив
11

Дизельное топливо по стандарту (европейской нормали)
EN590 выпускается в европейских странах. Стандарт периодически пересматривается, и к его номеру добавляется соответствующий год. С 2004 года действует стандарт EN590-2004 (ЕВРО-4). В
табл.1.5 сопоставлены характеристики судового топлива марки Л
по ГОСТ305-82 с топливом по EN590-2004. Топливо по EN590
характеризуется пониженным содержанием серы и нормативом на
содержание полициклических ароматических углеводородов. Это
объясняется тем, что чем ниже содержание полициклических ароматических углеводородов, тем меньше количество твердых частиц и бензапирена, а также оксидов азота, образующихся при сгорании топлива.
Таблица 1.5
Сравнение некоторых характеристик дизельных топлив

Показатель 
ГОСТ 305-82 
EN 590-2004 

(ЕВРО-4) 

Цетановое число, не менее 
45 
51 

Цетановый индекс, не менее 
не нормируется
46 

2000 (1 вид) 
50 (1 вид) 

Содержание серы, мг/кг, не более 
5000 (2 вид) 
10 (2 вид) 

Массовая доля полициклических аромати
ческих углеводородов, %, не более 

 

не нормируется

 

11 

Температура вспышки, °С, не менее 
62 
55 

Судовые дистиллятные топлива имеют общее торговое название Marine (Distillate) Fuel Oil и выпускаются нескольких марок [5] (табл. 1.6):
– DMA, или Marine Gasoil (MGO), газойль среднего фракционного состава;
– DMB, или Marine Diesel Oil (MDO), относительно тяжелый
газойль;
– DMC – топливо, состоящее из тяжелого газойля.
К европейскому топливу для внутреннего водного транспорта
предъявляются повышенные требования по содержанию серы (не
более 0,1 %) и фракционному составу.