POGONSKI MATERIJALI- GORIVA

U opštem smislu, goriva su materije koje sagorevanjem oslobađaju toplotu. U užem smislu, goriva su materijali koje sagorevamo da bismo proizveli toplotu. Osim toga, goriva treba da ispunjavaju i sledeće zahteve:

–          da proizvode veliku količinu toplote za kratko vreme,

–          da se nalaze u prirodi u dovoljnim količinama,

–          da u prirodnom stanju ne sadrže velike količine negorivih materija (balast),

–          da mogu lako i jeftino da se dopreme do korisnika,

–          da ne menjaju bitno svojstva i da su bezbedna tokom eksploatacije,

–          da produkti njihovog sagorevanja nisu opasna po okolinu.

 

VRSTE GORIVA

Idealno gorivo, koje bi ispunilo sve navedene uslove, ne postoji. Osim toga, pojedine primene zahtevaju specifična svojstva goriva, pa stoga postoji više vrsta goriva. Kao primer može da se navede nafta, koja je prvo korišćena samo kao sirovina za petrolej za osvetljenje, a kasnije je razvijen niz goriva kao što su benzin, dizel i mazut. Osnovna podela goriva prikazana je u tabeli.

Agregatno stanje Priroda goriva Prerađena goriva
čvrsto drvo, ugalj, škriljci drveni ugalj, briketi, polukoks, koks
tečno nafta benzin, petrolej, dizel, mazut
gasovito zemni gas (metan) gas (rafinisani, destilacioni, generatorski)

Pod prirodnim gorivima se podrazumevaju gorivakoja se koriste posle odstranjivanja grubih primesa, dok prerađena goriva zahtevaju komplikovaniji proces proizvodnje u kome mogu da učestvuju i veštačka goriva. Prerađena goriva se dalje dele na primarna i sekundarna. Primarni benzin se dobija razdvajanjem nafte na niz produkata, dok se sekundarni benzin dobija krekovanjem (razlaganje teških naftnih derivata na lakše). Osim osnovne podele, goriva se dele prema postojanosti na toplotu, zapaljivost i primeni.

Podela prema primeni je, osim osnovne podele na energetska i tehnološka goriva, veoma bitna u oblasti specijalizovane primene. Na primer, postoji sedam vrsta ulja za loženje koje se koriste u pećima i kotlovima: ekstralako (EL), lako (L), srednje (SR), teško (T), lako specijalno (LS), teško metalurško (dve varijante, MT1 i MT2).

 

SASTAV GORIVA

Osnovne karakteristike i primena goriva zavise od njegovog sastava. Sastav goriva se određuje tzv. elementarnom analizom, i u slučaju čvrstih i tečnih goriva izražava u masenim procentima, a u slučaju gasovitih goriva u zapreminskim procentima.

Iako na osnovu sastava goriva ne mogu da se odrede sve njegove karakteristike, ipak mogu da se proračunaju parametri kao što su potrebna količina vazduha za potpuno sagorevanje, toplotna moć goriva, sastav produkata sagorevanja i temperatura sagorevanja.

U sastav goriva, u opštem slučaju, ulaze tri elementa: ugljenik, vodonik i sumpor, kao primese kiseonik i azot, a kao balast mineralne primese i voda. Na osnovu toga može da se napiše i opšta formula za sastav goriva:

gC + gH + gS + gO + gN + gW + gA = 1

gde simbol „g“ označava maseni udeo, a indeksi C, H, S, O, N, W i A označavaju ugljenik, vodonik, sumpor, kiseonik, azot, vlagu (vodu) i mineralne materije (primese), redom.

Navedeni sastav goriva je opšti, a u pojedinim slučajevima neke komponente izostaju. Tako mineralne primese ne postoje u gasovitim gorivima, u tečnim gorivima ih praktično nema, a u čvrstim gorivima ih uvek ima.

Ugljenik je najvažnija komponenta goriva jer njegovim sagorevanjem nastaje najveći deo toplote. Ugljenik je i najviše zastupljena komponenta. On se u gorivu nalazi u slobodnom stanju ili vezan, u obliku složenih organskih jedinjenja sa kiseonikom, azotom i sumporom. Prosečni sadržaj ugljenika u nekim gorivima dat je u tabeli. Sagorevanjem    1 kg ugljenika oslobađa se 34MJ toplote, a maksimalna temperatura sagorevanja je 2240°C.

Gorivo C(%) H (%) O (%)
Drvo 50 6 42
Treset 54-63 6 33
Škriljci 60-70 7-10 12-18
Mrki ugalj 60-80 4-6 19-27
Antracit 92-98 1-3
Drveni ugalj 89-95 3-4
Koks 96 0,3-1 1-3
Benzin 85 15
Dizel 87 13
Mazut 87-88 11-12 0-0,2
Zemni gas 75 25

Vodonik je druga po važnosti komponenta gorva jer se sagorevanjem 1 kg vodonika oslobađa približno 140 MJ toplote, pa je njegov udeo u ukupno proizvedenoj toploti veoma bitan, iako ga u gorivu ima višestruko manje nego ugljenika. Maksimalna temperatura sagorevanja vodonika je 2235°C.

Sumpor se u gorivu nalazi u vidu gorive i negorive komponente. Gorivi sumpor se javlja u obliku složenih organskih jedinjenja- merkaptana, i kao sulfid železa- FeS2. Negorivi sumpor se javlja u obliku sulfata i sagorevanjem prelazi u pepeo. Iako se sagorevanjem sumpora oslobađa toplota (1 kg sumpora oslobađapribližno 9,3 MJ toplotr), njegovo prisustvo u gorivu je nepoželjno jer izaziva koroziju, a produkti sagorevanja su ekološki veoma štetni (kisele kiše).

U čvrstim gorivima sumpora ima i do 10%, a u tečnim do 5%. Iako ga u gasovitim gorivima ima manje, ipak se javlja u obliku H2S i SO2.

Kiseonik nije gorivi element, već se sagorevanje odvija zahvaljujući njemu. Sagorevanje je hemijska reakcija sjedinjavanja nekog elementa s kiseonikom. U čvrstim gorivima se javlja u vezanom stanju, a u tečnim i gasovitim gorivima ga praktično nema. Kiseonika najviše ima u drvetu i tresetu, a u značajnoj meri i u škriljcima i u nekim ugljevima. Prisustvo kiseonika smanjuje potrebu za kiseonikom iz vazduha, tako da on ulazi u tzv. unutrašnji balast, jer „zauzima“ mesto gorivim komponentama.

Azot se javlja u obliku složenih jedinjenja i ima ga veoma malo (do 2%) u čvrstim i tečnim gorivima, a u većoj meri u proizvedenim gasovitim gorivima. Tokom sagorevanja se ponaša inertno i zajedno sa kiseonikom čini unutrašnji balast.

Mineralne primese i pepeo. Mineralne primese su štetne jer:

–          smanjuju udeo gorivih materija, odnosno toplotnu moć goriva,

–          otežavaju sagorevanje,

–          povećavaju troškove održavanja i smanjuju vek postrojenja,

–          povećavaju troškove transporta.

Sadržaj mineralnih primesa je od nekoliko procenata u težim tečnim gorivima, nekoliko desetina procenata u čvrstim gorivima (ugljevi do 30%), pa sve do 90% u škriljcima. Najčešće mineralne primese su silikati, koji potiču iz aluminosilikata (glina i škriljci), sulfidi (pirit- FeS2), i karbonati kalcijuma, magnezijuma i železa.

Tokom sagorevanja, mineralne primese se razlažu i delimično oksidišu stvarajući pepeo. Prema tome, pepeo je u osnovi smeša oksida mineralnih materija. Pepeo može veoma bitno da utiče na rad postrojenja za sagorevanje goriva. Na primer, oksidi koji imaju relativno nisku temperaturu topljenja (FeO, CaO, MgO) tope se i oblažu zidove ložišta smanjujući intenzitet toplotne razmene, što nije slučaj kod oksida koji imaju relativno visoku temperaturu topljenja, kao što je Al2O3.

Vlaga kao i mineralne materije, čini spoljni balast, pa je nepoželjni sastojak goriva. Najviše je ima u čvrstim gorivima, npr.do 80% u tresetu, do 60% u nekim ugljevima. U tečnim gorivima se javlja samo u težim frakcijama nafte, npr. u mazutu, gde je ima do 2%.

 

KARAKTERISTIKE GORIVA

Osim osnovnih fizičkih karakteristika goriva, kao što su gustina i toplotna provodljivost, za primenu goriva bitna karakteristika je toplotna moć. Toplotna moć je količina toplote koja se dobija potpunim sagorevanjem jedinične mase goriva. Toplotna moć se obeležava slovom H i izražava se u kJ/kg i MJ/kg. Ova definicija se odnosi na tzv. masenu toplotnu moć, koja se koristi za čvrsta i tečna goriva, dok se za gasovita goriva po pravilu koristi zapreminska toplotna moć, koja se dobija množenjem masene toplotne moći i gustine: H(kJ/m3) =  H(kJ/kg) · ρ(kg/m3).

Prema toplotnom nivou produkata sagorevanja, razlikuju se gornja toplotna moć Hg, i donja toplotna moć Hd. Gornja toplotna moć je količina toplote koja se dobija potpunim sagorevanjem jedinične mase goriva pod sledećim uslovima:

–          ugljenik i sumpor se nalaze u obliku dioksida u gasovitom stanju, dok azot nije oksidirao;

–          produkti sagorevanja su dovedeni na početnu temperaturu goriva (20°C), a vlaga (voda) je prevedena u tečno stanje.

Donja toplotna moć se definiše isto kao gornja toplotna moć uz uslov da voda ostaje kao parna faza.

Toplotna moć se određuje eksperimentalno, sagorevanjem odgovarajućeg uzorka, ili računski, na osnovu podataka o elementarnoj analzi goriva.

 

TEČNA GORIVA

Osnovne prednosti tečnih goriva u odnosu na čvrsta goriva su:

–          visoka toplotna moć,

–          mali sadržaj balasta,

–          mali toplotni gubici pri sagorevanju,

–          jednostavno regulisanje procesa sagorevanja, jednostavan transport cevovodima.

Osnovne mane tečnih goriva su:

–          velika zapaljivost i eksplozivnost,

–          otrovnost nekih goriva,

–          teško odstranjivanje emulgovane vode,

–          stvaranje elektrostatičkog napona.

Kako su prednosti tečnih goriva značajnije od njihovih mana, ona su našla široku primen i omogućila brz razvoj niza oblasti, a posebno saobraćaja i energetike.

Prema poreklu, tečna goriva se dele na prirodna i prerađena.

 

Prirodna goriva- nafta

Osnova svih prirodnh goriva je nafta. To je složena smeša različitih ugljovodonika u kojoj mogu da se nađu sumpor, kiseonik i azot. Toplotna moć nafte je 42-43 MJ/kg. Nafta se ne koristi u sirovom stanju, već se prerađuje uglavnom u goriva i maziv.

Nafta je nastala razlaganjem organskih materija, tj. ostataka živih organizama. Nalazišta nafte su uglavnom duboko pod zemljom ili morem, a često se na istom mestu nalazi i zemni gas.

m1

Sastav nafte čine ugljenik (83-87%), vodonik (11-14%), kiseonik (0,1-1%, azot (0,05-1,5%) i sumpor (0,1-5%). Kiseonik, azot i sumpor se najčešće nalaze u vezanom stanju. Vlage i mineralnih materija ima malo, do 2%. Gustina nafte je 820-920 kg/m3. Osnovnu masu nafte čine tri grupe ugljovodonika:

–          parafinski, opšte formule CnH2n+2,

–          naftenski, opšte formule CnH2n i

–          aromatični, opšte formule CnH2n-6.

Niži članovi parafinskih ugljovodonika (alkani) sa 1-4 atoma ugljenika (metan CH4, etan C2H6, propan C3H8, i butan C4H10) su gasoviti, sa 5-15 atoma ugljenika su tečni, a sa više od 15 čvrsti. Osim osnovne, linijske strukture, parafinski ugljovodonici mogu da imaju razgranatu strukturu, izoparafini, npr. izooktan butan C8H18. Naftenski i aromatični ugljovodonici imaju prstenastu strukturu.

 

Dobijanje nafte

Kako se nafta nalazi na dubini i do 5000m, prva faza u procesu njenog dobijanja je bušenje. Nafta najčešće ističe iz bušotine na površinu pod pritiskom, a ukoliko pritisak ili protok nisu dovoljni, koriste se pumpe ili gas pod pritiskom.

m2

Goriva prerađena iz nafte

Proces prerade nafte se odvija u dve faze: primarnoj i sekundarnoj. U primarnoj fazi nafta se razdvaja na niz frakcija (ugljovodoničnih jedinjenja) od kojih se sastoji. Postoje dve osnovne tehnike razdvajanja: frakciona destilacija, koja se ranije koristila, i frakciona kondenzacija, koja se koristi danas. Posle primarne faze dobijaju se:

–          gasovita goriva,

–          benzinske frakcije,

–          petrolejske frakcije,

–          dizel-frakcije i lož-ulja,

–          frakcije maziva i

–          ostatak (bitumen).

U sekundarnoj fazi se odvijaju isključivo sekundarni procesi, koji se dele na četiri osnovne grupe:

–          razgradnja ugljovodonika (krekovanje),

–          izgradnja ugljovodonika (polimerizacija i alkilacija),

–          konverzija ugljovodonika (reformisanje i izomerizacija) i

–          ugradnja vodonika u ugljovodonike.

 

 

Benzin

Benzin se koristi za pokretanje oto-motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Osim opštih zahteva, benzin mora da ispuni i specifične zahteve vezane za obrazovanje i sagorevanje smeše goriva i vazduha, kao što su dobra isparljivost i velika otpornost prema detonacionom sagorevanju.

Od posebnog značaja je otpornost benzina prema detonacionom sagorevanju. Pojava nekontrolisanog sagorevanja, praćenog detonacijom, posledica je prisustva komponenata kao što je normalan heptan  C7H16, koji ima izrazito malu otpornost prema detonacionom sagorevanju. Kako komponente kao što je izooktan C8H18, imaju izrazito veliku otpornost prema detonacionom sagorevanju, to je kao mera otpornosti prema detonacionom sagorevanju usvojen oktanski broj, koji predstavlja udeo izooktana u benzinu. Stoga benzin koji se ponaša kao čist izooktan, ima oktanski broj 100, a benzin koji se ponaša kao normalan heptan ima oktanski broj 0.

Određivanje oktanskog broja se sastoji u ispitivanju benzina na otpornost prema detonaciji u specijalnom jednocilindričnom motoru. Cilj ispitivanja je da se pronađe takva smeša izooktana i normalnog heptana koja ima istu otpornost prema detonaciji kao ispitivani benzin, pa se na osnovu toga benzinu dodeljuje odgovarajući oktanski broj. Ako je, npr. otpornost prema detonaciji nekog benzina ista kao kod smeše 92% izooktana i 8% normalnog heptana, oktanski broj tog benzina je 92. Oktanski broj nije jedinstvena veličina., već zavisi od načina određivanja. Tako postoje IOB- istraživački oktanski broj, MOB- motorski oktanski broj i POB- putni oktanski broj, čiji je međusobni odnos: IOB>POB>MOB

Osim isparljivosti i oktanskog broja, važna karakteristika benzina je gustina, koja se kreće u granicama 720-750 kg/m3.

 

Dizel gorivo

Pod dizel gorivom se obično podrazumeva frakcija nafte koja isparava u temperaturnom intervalu 180-350°C i koristi se za tzv. brzohodnr dizel-motore. U širem smislu, u dizel goriva se ubrajaju i teži destilati koji se koriste u sporohodnim dizel-motorima. U odnosu na benzin, dizel-goriva imaju bar dve bitne razlike: prva je otežani protok goriva na sniženim temperaturama, a druga način obrazovanja smeše sa vazduhom. Stoga su najvažnije karakteristike dizel-goriva temperatura stinjavanja i upaljivost.

Upaljivost je određena temperaturom samopaljenja i periodom kašnjenja paljenja, a zavisi od sastava goriva i uslova sagorevanja. Pokazatelj upaljivosti dizel-goriva je cetanski broj, koji se određuje pomoću specijalnog motora poređenjem upaljivosti ispitivanog goriva i smeše dva ugljovodonika: cetana C16H34 i α-metilnaftalina C11H10. Cetanski broj je definisan kao procentualni udeo cetana u onoj smeši sa α-metilnaftalinom koja ima ekvivalentnu upaljivost sa ispitivanim gorivom.

Najbolju upaljivost imaju normalni parafinski ugljovodonici, pa je kao njihov predstavnik izabran cetan. Najteže se pale aromatični ugljovodonici, pa su nepoželjna komponenta dizel-goriva. Njihov tipični predstavnik je α-metilnaftalin.

Cetanski broj se određuje eksperimentalno ili računski. Od eksperimentalnih metoda najčešće se koristi metoda kašnjenja paljenja, za koju je potreban specijalni jednocilindričan motor sa uređajem za merenje perioda kašnjenja paljenja.

Računski postupci se svode na korišćenje empirijskih izraza, u kojima je cetanski broj dat u zavisnosti od nekih karakteristika goriva, npr,. gustine, viskoziteta, isparljivosti i sastava. Izraz za izračunavanje cetanskog broja na osnovu sastava je:

CB = 0,85P + 0,1N -0,2A,

gde su: p, N i A zapreminski udeli parafinskih, naftenskih i aromatičnih ugljovodonika.

Niskotemperaturne karakteristike dizel-goriva dolaze do izražaja ispod 0°C, kada raste njegov viskozitet, a treba imati u vidu izdvajanje kristala parafinskih ugljovodonika kao sastavnih komponenata dizel-goriva. Obe pojave otežavaju protok goriva dovodeći postepeno do prestanka njegovog tečenja. Niskotemperaturno ponašanje dizel-goriva procenjuje se eksperimentalno, na osnovu temperature zamućenja i temperature stinjavanja.

Temperatura zamućenja predstavlja temperaturu na kojoj se stvaraju mikrokristali ugljovodonika. Zamućenje goriva ne otežava njegovo tečenje, ali može da zapuši prečistač i prekine dotok goriva. Temperatura stinjavanja je najviša temperatura na kojoj gorivo gubi osobinu tečljivosti. Uzrok ovoj pojavi je povećanje viskoziteta gorivanaftenske osnove i goriva dobijenih krekovanjem, odnosno nastanak kristala u gorivima parafinske strukture.

 

GASOVITA GORIVA

Osnovne prednosti gasovitih goriva u odnosu na čvrsta i tečna goriva su:

–          potpunije sagorevanje,

–          manji sadržaj balasta,

–          mali koeficijent viška vazduha pri sagorevanju,

–          jednostavno regulisanje procesa sagorevanja,

–          jednostavan transport,

–          proizvodnja u centralizovanim postrojenjima.

Osnovne mane gasovitih goriva su velika zapaljivost i eksplozivnost, o čemu treba da se posebno vodi računa.

Prema poreklu, gasovita goriva se dele na prirodna i proizvedena (primarna, sekundarna i sintetička).

 

Prirodna gasovita goriva

Prirodnim gasovitim gorivom smatra se zemni gas. Zemni gas se javlja na mestima gde ima nafte ili samostalno. Nastao je na isti način kao nafta, razlaganjem organskih materija. Osim u slobodnom stanju, u tzv. gasnoj kapi iznad nafte, zemni gas se nalazi i u vezanom stanju, rastvoren u nafti. U njegovom sastavu su metan i drugi ugljovodonici, vodonik i negorivi gasovi (CO2, N2). Zemni gas, koji se nalazi samostalno, obično ima do 98% metana, pa je sadržaj ostalih komponenata svega 2%. U zemnom gasu, koji se nalazi tamo gde ima i nafte, osim metana postoji i značajna količina etana (do 10%), propana (do 7%) i butana (do 7%). Gas sa većim sadržajem propana i butana često se zove vlažni ili bogati gas, dok se prirodni gas koji ima zanemarljiv udeo ovih komponenata naziva suvi ili siromašni gas. Iz vlažnog gasa se postupkom degazolinaže izdvajaju butan i propan, ugljovodonici višeg reda iz kojih se dobija laki benzin (gazolin), a ostatak je suvi gas. U sastav zemnog gasa često ulazi do 2% sumporvodonika (H2S), koji je veoma štetan pa ga treba odstraniti u procesu proizvodnje gasa.

Toplotna moć zemnog gasa u slobodnom stanju je 36-36,5 MJ/kg, a u vezanom stanju približno 38 MJ/kg, a može da dostigne i 41MJ/kg.

Zemni gas ima široku primenu ne samo kao energent nego i kao sirovina u hemijskoj industriji. Kao energent zemni gas se koristi za zagrevanje vazduha i vode, i proizvodnju vodene pare. Njegova primena u kotlovima ima niz prednosti:

–          veći stepen iskorišćenja,

–          jednostavnije i manje ložište,

–          manji broj pomoćnih uređaja,

–          manje prljanje grejnih površina,

–          odsustvo letećeg pepela i šljake.

Nedostaci primene zemnog gasa su opasnost od eksplozije i manja efikasnost ozračenih površina zbog manjeg koeficijenta zračenja.

Kao sirovina u hemijskoj industriji zemni gas se koristi za dobijanje poluproizvoda ili gotovih proizvoda, kao što su plastične mase, sintetički kaučuk, veštačka vlakna i visokooktanske komponente.

 

Proizvedena gasovita goriva

Proizvedena gasovita goriva se dobijaju na tri načina:

–          preradom nafte,

–          preradom prirodnih gasova i

–          preradom čvrstih goriva.

Najvažnije gasovito gorivo dobijeno preradom nafte je tzv. rafinerijski gas, koji se koristi za zagrevanje cevnih peći.

Preradom prirodnih gasova dobijaju se tzv. tečni gasovi: propan, propilen, butan, butilen, izobutan i izobutilen. Ovi gasovi su dobili ime po karakterističnom svojstvu da prelaze u tečno stanje na normalnim temperaturama i niskom pritisku (0,2-0,8 MPa). Osim iz prirodnog gasa, tečni gasovi se dobijaju i iz rafinerijskog gasa. Tečni gasovi se koriste kao energenti u industriji i domaćinstvima, kao i za pogon motornih vozila, jer imaju visoku toplotnu moć, sagorevaju potpuno, bez dima i mirisa, i imaju veliku otpornost na detonaciono sagorevanje u oto-motorima.

Gasifikacijom uglja i škriljca dobija se generatorski gas. Ovaj način prerade čvrstih goriva obavlja se u specijalnim uređajima- gasnim generatorima.

Ovaj unos je objavljen pod Masinski materijali. Zabeležite stalnu vezu.

2 reagovanja na POGONSKI MATERIJALI- GORIVA

  1. Vjera Vlahović kaže:

    Poštovani,

    Naišla sam na Vaš tekst tražeči odgovor na pitanje gde spada petrol koks – u koje vrste goriva, tj. da li je naftni derivat.

    Ako možete da me uputite na literaturu iz koje bih mogla da saznam odgovor na navedeno pitanje, bila bih vam veoma zahvalna.

    S poštovanjem,

    Vjera Vlahović

    • Iron Lady kaže:

      Mašinski materijali za srednju školu, ne sećam se autora. Pretpostavljam da ćete u sličnim knjigama pronaći više toga.

Ostavite odgovor

Popunite detalje ispod ili pritisnite na ikonicu da biste se prijavili:

WordPress.com logo

Komentarišet koristeći svoj WordPress.com nalog. Odjavite se /  Promeni )

Google photo

Komentarišet koristeći svoj Google nalog. Odjavite se /  Promeni )

Slika na Tviteru

Komentarišet koristeći svoj Twitter nalog. Odjavite se /  Promeni )

Fejsbukova fotografija

Komentarišet koristeći svoj Facebook nalog. Odjavite se /  Promeni )

Povezivanje sa %s