проблемы и решения – Основные средства

Эта статья родилась из случайного разговора с коллегой, когда прозвучала фраза о том, что по оценкам представителей зарубежных автостроительных компаний при том содержании серы, которым отличается российское топливо, ни один дизель не может пройти больше 600 тыс. км. Но ведь ходят! Мы задумались, и поняли, что здесь все не так просто, как хотелось бы нашему коллеге. И чтобы не плодить домыслы и легенды обратились к специалистам: уже хорошо известному нашим читателям Виктору Давидовичу Резникову и его коллеге по ВНИИ НП, специализирующемуся на топливе, Аркадию Мироновичу Бакалейнику.

Сера и ее соединения в качестве естественной составляющей входят в состав сырой нефти в виде элементарной серы, сероводорода и различных органических соединений (меркаптанов, сульфидов, дисульфидов и др.), при этом в более тяжелых погонах нефти серы и сернистых соединений содержится больше, чем в легких. Элементарная сера, сероводород, меркаптаны обладают высокой коррозионной агрессивностью, поэтому в бензинах и дизельных топливах их присутствие не допускали (сера и сероводород) или строго ограничивали (меркаптаны).

Общее содержание остальных соединений серы в топливе ограничивают предельной нормой показателя «массовая доля серы». Ужесточение норм по этому показателю требует углубления очистки от серы и, соответственно, дополнительных затрат на производство топлива, повышает его стоимость, сокращает ресурсы. Поэтому в определенном количестве сера присутствует во всех коммерческих топливах.

Напомним, что действующий стандарт делит дизельное топливо на «сернистое» и «малосернистое». В эти термины в разное время вкладывали различный смысл. Когда производители техники совсем не имели или имели минимальные ограничения выбросов вредных веществ, содержание серы нормировали, исходя из возможности обеспечения надежной работы двигателя без существенного снижения его ресурса, но так, чтобы это не уменьшало выход топлива и не повышало его стоимости.

На этом этапе, т.е. в 50-х – 70-х годах, к «сернистому» относили дизельное топливо с содержанием серы около 1,0%, а «малосернистым» считали топливо, в котором ее было не более 0,2%. Главной проблемой при использовании сернистых топлив было увеличение износа деталей цилиндро-поршневой группы дизелей и рост количества отложений на них под действием продуктов сгорания серы. Большая часть этих продуктов (SO2 и SO3) выбрасывается с отработавшими газами в атмосферу, но и то количество SO2 и SO3, которое с парами воды образовывает сернистую и серную кислоты, значительно увеличивает коррозионное изнашивание цилиндров, поршневых колец и других деталей, способствует нагарообразованию, нарушающему теплоотвод от поршня, подвижность поршневых колец, снижающему компрессию.

Для решения этих проблем дизельным маслам с помощью щелочных моющих присадок придали нейтрализующую способность. Присадки практически полностью предотвращают коррозионное изнашивание деталей двигателей и повышенное нагарообразование. При достаточной щелочности масла (около 8 – 10 мг КОН/г) износ комплекта поршневых колец при работе на топливах с содержанием серы 1,0; 0,5 и 0,2% практически одинаков, если смена масла выполняется своевременно.

При работе на топливе с высоким содержанием серы щелочное число масла убывает быстрее и пробег до смены масла сокращается.

Сегодня ситуация изменилась. Теперь «сернистым» называют топливо, содержащее 0,2% серы, а в «малосернистом» ее может иметься всего 0,035% и менее. В чем причина таких резких перемен?

В последние годы в связи с остротой проблемы загрязнения окружающей среды от эксплуатации быстро растущего многомиллионного парка автомобилей вводятся все более строгие нормы на выбросы автомобилем токсичных соединений, твердых частиц, других загрязнителей воздуха. Соблюдение этих норм потребовало от производителей техники применения в конструкции автомобилей различных систем управления выбросами (дожигателей, каталитических нейтрализаторов, фильтров и т.д.), а также изменений в организации процесса сгорания, введения рециркуляции отработавших газов, новых систем впрыскивания топлива.

Наличие сернистых соединений в топливе повышает токсичность отработавших газов не только непосредственно – за счет увеличения в них концентрации оксидов серы и твердых частиц, но и опосредованно – за счет снижения эффективности и надежности работы современных систем управления составом отработавших газов. Поэтому в настоящее время наряду с разработкой и производством техники, отвечающей новым стандартам на выбросы вредных веществ, постепенно вводятся более строгие ограничения на содержание серы в автомобильных топливах.

Дизельные топлива в России в настоящее время вырабатывают по ГОСТ 305-82 и по более тридцати техническим условиям (ТУ). По этим документам дизельные топлива производятся не только для автотранспорта, но также для сельскохозяйственной техники, строительных и дорожных машин, тепловозов, судов и т.д. В соответствии с ГОСТ 305-82 сейчас в России вырабатывается 80 – 85%, т.е. основной объем дизельного топлива. Уровень содержания серы в 0,2% можно считать для России базовым. В дизельном топливе вида 2 по этому стандарту допускается даже содержание серы до 0,5%. Однако эта норма пересматривается в сторону ужесточения в отношении содержания серы, вводится также топливо с предельным содержанием в 0,05%.

Для использования в крупных городах или регионах со сложной экологической обстановкой разработаны технические условия на дизтопливо с улучшенными экологическими свойствами – городское (ТУ 38.

401-58-170-96) с содержанием серы не более 0,05% и «экологически чистые» топлива (ТУ 38.1011348-99), предусматривающие среди прочих ограничений выпуск топлива с содержанием серы не более 0,035%.

С 1 ноября 2001 г. утверждены и введены в действие ТУ 38.401-58-296-2001 «Топливо дизельное автомобильное. Технические условия», разработанные на базе аутентичного перевода EN-590-2000 с нормой содержания серы не более 0,035%, для автомобилей, соответствующих требованиям Euro-3. К 2003 – 2005 гг. намечается гармонизация отечественных стандартов на бензин и дизельное топливо с европейскими требованиями для автомобилей уровня Euro-3. Это означает ограничение содержания серы в бензинах до 0,015%, а в дизельном топливе до 0,035%. Но введение подобных стандартов не будет означать одновременный переход на новые требования: процесс продолжится не менее 5 лет. В этот период будут одновременно действовать «старые» и «новые» требования.

Дизельные топлива с содержанием серы меньше 0,035% имеют худшие смазывающие свойства. Их применение приводит к существенному увеличению износа плунжеров насоса высокого давления и снижению срока безотказной работы других агрегатов топливной аппаратуры. Стал необходимым ввод в топлива присадок, улучшающих их смазывающие свойства. В России такие присадки пока еще серийно не производятся. И это не единственная проблема, связанная с переходом на новые стандарты.

К сожалению, на наших АЗС до сих пор не организован раздельный сбыт дизельных топлив разных марок, отличающихся по содержанию в них серы и другим показателям, характеризующим их экологичность. Эта актуальная задача должна быть решена, так как смешение топлив в одной емкости АЗС приводит к ухудшению качества экологичных сортов. Но это уже вопрос реформирования инфраструктуры, которое потребует немалого времени.

Сера в дизельном топливе: проблема и решение

Однажды представители зарубежного автостроения высказали свою оценку российскому дизельному топливу. Они посчитали, что вряд ли какой работающий на нём двигатель автомобиля способен перешагнуть 600 000 км пробега. Практика же показала обратное, бывает, и больший пробег выдерживают. После обращения за разъяснением к таким специалистам «ВНИИ НП», как Резников В. Д. и Бакалейник А. М., стала понятна общая картина.

Откуда сера в топливе

Наличие серы и ее соединений в сырой нефти никого не удивляет, она просто там содержится в элементарном состоянии. А элементарная сера, сероводород и меркаптаны довольно агрессивно вызывают коррозию металла, если допустить ее наличие в дизтопливе или бензине. На нефтеперегонных предприятиях выводят их из конечного продукта, меркаптаны же строго ограничивают. На другие соединения серы выставлены лимит, выше которого переходить нельзя, и называется он «массовой долей серы».

Поскольку эта норма становится все более жесткой, то и переработчики нефти все больше средств тратят на очистку и производство дизельного топлива, и оно тоже растет в цене. Сера не удаляется полностью, небольшое количество (в пределах нормы) все же имеет место в составе любого “коммерческого” топлива.

Немного истории и химии

Согласно настоящему стандарту, топливо может быть «малосернистым» и «сернистым». Эти слова понимали раньше неоднозначно. Когда не было или почти не было ограничений на количество вредных выбросов, норма на содержание серы нужна была только для того, чтобы она не вредила двигателю. Этот подход в производстве топлива не был таким затратным, как сейчас, и приходится на период с 1950 до 1970 гг.

В то время «сернистым» считалось топливо, имеющего в составе 1% серы, «малосернистое» ограничивалось 0,2%. Кроме износа узлов и деталей дизельного двигателя проблемы не видели. Беспокоили также и отложения на металле, образовавшиеся при сгорании серных соединений SO3 и SO2.

В основном эти соединения выбрасываются из двигателя вместе с отработанными газами. Другая же часть данных серных продуктов вступает во взаимодействие с водяным паром, и образует серную и сернистую кислоты.

Результат их воздействия на двигатель следующий:

• увеличение коррозии на деталях поршневой группы;
• образование нагара снижает теплоотдачу от поршня;
• нагар ограничивает подвижность колец, и компрессия снижается.

Влияние щелочного числа масла на износ поршневых колец дизеля

Решать эту проблему начали с помощью химического состава масла. Присадки в нём должны были нейтрализовать кислоты за счет своих щелочных и моющих свойств. Если менять масло своевременно, то полностью предотвращается коррозия и образование нагара.

Топливо с большим процентом серы требует более частых замен масла, пробег таких двигателей меньше.

Сейчас обстановка несколько другая. Лимиты изменились в разы:

• сернистое топливо содержит 0,2% серы;
• малосернистое – 0,035%.

Вся причина в том, что начали бороться и за состояние окружающей среды. Парк машин вырос многократно и чтобы спасти природу, ужесточили нормы выбросов в атмосферу всего того, чем автомобиль ее загрязняет. Соответственно, напряглись производители техники, снабдив двигатели дожигателями, катализаторами и фильтрами. Вносились изменения в процесс подготовки сгорания топлива.

Сернистые соединения в составе топлива при сгорании повышают уровень токсичности отработанных газов. Поэтому не только технику модернизируют под новые стандарты, но и реализуются требования снизить процент серы в автомобильном топливе.

ГОСТы и ТУ на дизельное топливо, производимое в России, регламентируют его качество не только для дорожных автомобилей, но и для кораблей, тепловозов, сельскохозяйственных машин, парка ремонта дорог и строительства. ГОСТ 305-82 распространен на 85% выпускаемого дизельного топлива. Процент серы 0,2% принят за основу. Топливо второго вида допускает увеличение процента серы до 0,5%. Но уже сейчас стандарты предусматривают содержание серы до 0,05%.

Этапы ужесточения нормы к содержанию серы в топливе автомобилей

Разработаны специальные технические условия на качество дизельного топлива, которое будет использовано в сложных экологических районах и крупных городах страны. Содержание серы в топливе должно быть максимум 0,05%.

С 01.11.2011 ввели ТУ 38,401-58-296-2001, ограничивающие процент серы в топливе до 0,035%.

Несколько позже промышленность ориентируется на выпуск бензина и дизельного топлива с учетом требований ЕВРО-3 и содержанием серы не более 0,015% в бензине. Это процесс не одного дня и растянулся на 5 лет. А значит, еще действовали и прежние технические условия.Когда процент серы стал менее 0,035%, у дизельного топлива ухудшились смазывающие свойства. Это ускоряет износ топливных насосов и других элементов топливной системы. Появилась нужда в присадках с целью улучшения смазывающих характеристик.А они в основном импортного происхождения. Да и на отечественных заправках пока нет раздельных колонок на различные марки дизельного топлива. Смешивая в одной емкости разные сорта, продавец (владелец АЗС) ухудшает экологические свойства горючего. И тут надо уже решать вопрос инфраструктуры, чтобы от производителя к потребителю дизтопливо поступало без потери качества. А это дело не одного дня.

Топливо: США

• Марки дизельного топлива
• Содержание серы
• Технические характеристики

Марки дизельного топлива

Исторически качество автомобильного топлива в Соединенных Штатах определялось стандартами ASTM . Дизельное топливо соответствует стандарту ASTM D975.

С 2004 года стандарт D975 охватывает семь сортов дизельного топлива, Таблица 1. Более тяжелое жидкое топливо классов 5 и 6 (остаточное), которые используются в основном для обогрева, описаны в стандарте ASTM D39.6.

9002 8

Таблица 1
Марки дизельного топлива

Марка	Описание	Max Sulphur
№ 1-D S15	Специальное легкое среднедистиллятное топливо для дизельных двигателей. приложений с частыми и широко меняющимися скоростями и нагрузками или когда встречаются аномально низкие рабочие температуры. Более высокая летучесть, чем у топлив № 2-Д.	15 частей на миллион
№ 1-D S500		500 частей на миллион
№ 1-D S5000		5000 частей на миллион
№ 2-D S15	Среднедистиллятное топливо общего назначения для использования в дизельных двигателях, особенно в приложениях с относительно высокими нагрузками и равномерными скоростями, или в дизельных двигателях, не требующих топлива с более высокой летучестью или другими свойствами, указанными в сортах топлива № 1-D.	15 частей на миллион
№ 2-D S500		500 частей на миллион
№ 2-D S5000		5000 частей на миллион
№ 4-D	Тяжелое дистиллятное топливо или смесь дистиллята и остаточное масло, для тихоходных и среднеоборотных дизелей двигатели в приложениях, включающих преимущественно постоянную скорость и нагрузку.

Обозначение Sxxx было впервые принято в редакции стандарта D975-04 для различения сортов по содержанию серы. Марки С5000 соответствуют «обычным» маркам серы, прежним №1-Д и №2-Д. Сорта S500 соответствуют предыдущим сортам с низким содержанием серы (D975-03). Марки S15 обычно называют марками со сверхнизким содержанием серы или ULSD.

Когда-то существовал стандарт ASTM (D2069) для судового дизельного топлива, но он был отменен. Технически он был эквивалентен ISO 8217. В то время как в некоторых судовых дизельных двигателях используется дистиллят № 2, D2069 охватывает четыре вида судового дистиллятного топлива: DMX, DMA, DMB и DMC, а также остаточное топливо (см. также спецификации судового топлива ISO):

.

• DMX — специальный легкий дистиллят, предназначенный в основном для использования в аварийных двигателях.
• DMA (также называемый судовым газойлем, MGO) представляет собой судовой дистиллят общего назначения, который не должен содержать следов остаточного топлива. Топливо DMX и DMA в основном используется в судовых двигателях категории 1 (< 5 литров на цилиндр).
• DMB (судовое дизельное топливо, MDO) может иметь следы остаточного топлива, которое может иметь высокое содержание серы. Это загрязнение остаточным топливом обычно происходит в процессе распределения при использовании тех же средств подачи (например, трубопроводов, сосудов снабжения), которые используются для остаточного топлива. ДМБ производится, когда таким образом на борт судна доставляют такие виды топлива, как ДМА. DMB обычно используется для двигателей категории 2 (5–30 литров на цилиндр) и категории 3 (≥ 30 литров на цилиндр).
• DMC — это сорт, который может содержать остаточное топливо и часто представляет собой остаточную топливную смесь. Он аналогичен № 4-D и может использоваться в судовых дизельных двигателях категорий 2 и 3.
• Остаточное (недистиллятное) топливо обозначается префиксом RM (например, RMA, RMB и т. д.). Эти виды топлива также идентифицируются по их номинальной вязкости (например, RMA10, RMG35 и т. д.).

В связи с растущим значением альтернативных дизельных топлив были также разработаны стандарты для биодизельных топлив и их смесей.

Содержание серы

С 1990-х годов качество топлива все больше регулируется US EPA в соответствии с Законом о чистом воздухе. В контексте все более строгих стандартов выбросов дизельных двигателей самым важным свойством топлива, регулируемым EPA, стало содержание серы. Исторически содержание серы в дизельном топливе для шоссейных и внедорожных транспортных средств ограничивалось 0,5% (вес.) по спецификациям ASTM. Вехи экологических норм США, ограничивающих содержание серы в дизельном топливе, можно резюмировать следующим образом:

• Дизельное топливо для шоссейных дорог
  • 500 частей на миллион: Предельное содержание серы 500 частей на миллион = 0,05% (масс. ) вступило в силу в октябре 1993 года. Это топливо, обычно называемое дизельным топливом с низким содержанием серы , было введено для облегчения сокращения выбросов твердых частиц сульфата, которое было необходимо для соответствует нормам выбросов 1994 года для большегрузных дорожных двигателей.
  • 15 частей на миллион: Дизельное топливо с максимальным содержанием серы 15 частей на миллион было доступно для использования на дорогах с июня 2006 года. Это топливо, обозначаемое как 9Дизельное топливо 0118 со сверхнизким содержанием серы (ULSD) было законодательно утверждено Агентством по охране окружающей среды для включения устройств контроля выбросов на основе катализатора, таких как дизельные сажевые фильтры и адсорберы NO _x , необходимые для соответствия стандартам выбросов 2007-2010 гг. для двигателей большой мощности и Стандарты Tier 2 для легковых автомобилей.
• Дизельное топливо для внедорожной техники
  Следующие требования по содержанию серы применяются к топливу для внедорожной техники, локомотивов и судов (NRLM), за исключением тяжелого жидкого топлива (HFO), используемого в судовых дизельных двигателях категории 2 и категории 3.
  • 500 частей на миллион: Ограничение содержания серы в 500 частей на миллион вступило в силу в июне 2007 года для внедорожного, локомотивного и судового топлива.
  • 15 частей на миллион: Ограничение содержания серы в 15 частей на миллион (ULSD) вступает в силу в июне 2010 года для недорожного топлива, а в июне 2012 года – для локомотивного и судового топлива. ULSD был принят в законодательном порядке для внедорожных двигателей, чтобы обеспечить усовершенствованные системы контроля выбросов для соответствия стандартам выбросов для внедорожной техники Tier 4.
• Топливо для судовых двигателей категории 3
  Соединенные Штаты и Канада обратились в ИМО с просьбой установить зону контроля выбросов (ECA) вдоль береговой линии. Как только ECA будет установлен, он приведет к срабатыванию международных и американских ограничений по содержанию серы в судовом топливе:
  • Международные ограничения ИМО, применяемые в странах ЕСА, составляют 1% (10 000 частей на миллион) серы, начиная с 2010 г. , и 0,1 % (1000 частей на миллион) серы с 2015 года. Дополнительная обработка SOx, такая как скрубберы SOx, разрешена вместо топлива с низким содержанием серы.
  • Агентство по охране окружающей среды США 2009 г. Правила для судовых двигателей категории 3 Агентства по охране окружающей среды США установили предельное содержание серы 1000 частей на миллион для судового топлива, произведенного и/или проданного для использования в странах ЕСА. Вместо топлива с низким содержанием серы можно использовать доочистку от SOx. Дополнительные гибкие положения применяются к судам, эксплуатируемым на Великих озерах и морском пути Святого Лаврентия: требования по низкому содержанию серы могут быть отложены — в зависимости от наличия топлива и условий экономических трудностей — и не применяются к пароходам.

Технические характеристики

• Автомобильное дизельное топливо
• Сертификация топлива
• Биодизельное топливо

Содержание серы в дизельном топливе

Сколько серы содержится в дизельном топливе?

Почти все виды топлива, полученные из сырой нефти, содержат некоторое количество серы, даже после очистки нефти.

Но особенно известно, что сера в дизельном топливе вызывает повреждение как компонентов двигателя, так и качества воздуха после сгорания.

К счастью, современное дизельное топливо теперь содержит гораздо меньше серы и твердых частиц благодаря достижениям в процессе очистки и законодательным изменениям в стандартах на топливо. В этой статье объясняется, как и почему содержание серы упало до самого низкого уровня за более чем 100 лет.

Почему в дизельном топливе содержится сера?

Сера представляет собой встречающийся в природе элемент, не имеющий вкуса и запаха в своей естественной форме и являющийся ключевым компонентом многих аминокислот и белков, необходимых для жизни на Земле.

Именно благодаря обильному присутствию аминокислот и белков сера и серосодержащие соединения могут быть обнаружены как в сырой нефти, так и в ее производных после очистки.

Вредна ли сера для человека?

Сера не вредна для человека в очень малых количествах в чистом виде. В среднем человек потребляет около 900 мг серы каждый день при обычном питании.

Однако в сложных формах он может быть чрезвычайно вредным, особенно в тех, которые образуются после сгорания в топливе. Он производит диоксид серы, который, в свою очередь, вызывает коррозионный износ металлических компонентов двигателя и является одним из основных загрязнителей атмосферы, вызывающих загрязнение воздуха и кислотные дожди.

Как удалось снизить содержание серы в топливе?

Исторически присадки использовались в двигателях для снижения воздействия серы на уязвимые компоненты. Эти «детергенты» часто добавляли в моторные масла или даже в само топливо, обеспечивая щелочную основу, которая помогает нейтрализовать кислоту или образовывать защитный слой на внутренних поверхностях двигателя. Хотя эти присадки снижали износ двигателя, они мало что делали для устранения долгосрочного воздействия серы на окружающую среду.

Более постоянное решение появилось в USLD (дизельное топливо со сверхнизким содержанием серы), которое содержало значительно более низкие уровни серы, чем обычное дизельное топливо того времени — максимум 10 миллиграммов на каждый килограмм. Это свело к минимуму потребность в моющих присадках для снижения износа двигателя, а также решило проблемы концентрации серной кислоты в выхлопных газах.

ЕС и Великобритания приняли закон, согласно которому все дизельное топливо для внедорожной подвижной техники (например, красное дизельное топливо) должно соответствовать стандарту Euro V (ЕС) и BS 2869.(Великобритания), приводя законные ограничения содержания серы в соответствие со стандартом ULSD.

Каково текущее содержание серы в красном дизельном топливе?

С 2010 года предел содержания серы в красном дизельном топливе определяется его классом.

Класс A2 охватывает все внедорожные транспортные средства, такие как поезда или тракторы, с ограничением содержания серы до 0,001% (10 частей на миллион).

Класс D включает морские суда, стационарные двигатели, статические генераторы и отопительные котлы. Содержание серы в классе D значительно выше и составляет 0,1% (1000 частей на миллион).

Наш справочник по спецификациям на топливо содержит дополнительную информацию о стандартах, которым должно соответствовать топливо, и о том, как с ними связано содержание серы.