Paliwa, charakterystyka

Definicja paliw

Podział paliw

Benzyna jest substancją ciekłą, bardzo lotną i łatwopalną o charakterystycznym zapachu. Pary benzyny z powietrzem tworzą mieszanki wybuchowe. Nierozpuszczalna w wodzie, natomiast dobrze rozpuszczalna w bezwodnym alkoholu – eterze, chloroformie, itp. Stosuje się ją głównie jako paliwo do silników, jako środek piorący i odtłuszczający, jako rozpuszczalnik tłuszczów farb i lakierów. Ponieważ rozwój motoryzacji pociąga za sobą coraz większe zapotrzebowanie na benzynę, wyższe frakcje ropy naftowej takie jak oleje i mazut, przerabiane są na benzynę w procesie krakingu. Proces ten polega na termicznej lub katalitycznej degradacji węglowodorów, pozwalającej na uzyskanie produktów o mniejszej masie cząsteczkowej. Benzyny krakowe różnią się od benzyn otrzymywanych na drodze zwykłej destylacji ropy naftowej większą zawartością alkenów i węglowodorów aromatycznych.

Zmiany składu frakcji benzynowych w celu uszlachetnienia benzyn uzyskiwanych metodą destylacji ropy naftowej można uzyskać metodą reformingu, która polega na izomeryzacji i dehydrocyklizacji n-alkanów oraz odwodornieniu cykloalkanów do węglowodorów aromatycznych pod wpływem katalizatora platynowego. W ten sposób podnosi się liczbę oktanową benzyny nawet o 40 jednostek, a także uzyskuje się alkeny i areny.
Liczba oktanowa jest to wielkość określająca jakość benzyny (im wyższa liczba oktanowa tym benzyna jest lepsza). Benzyny uzyskane bezpośrednio przez destylację ropy naftowej mają liczbę oktanową od 50 do 76, benzyny z krakowania – 90, powstałe z reformingu – około 100. Liczbę oktanową benzyn można podnieść o 15 – 16 jednostek przez dodanie czteroetyloołowiu (powstaje etylina używana tylko jako paliwo – bardzo trująca). Kiedyś ta metoda wzbogacania benzyny miała za zadanie nadać jej właściwości przeciwstukowe w silniku.

 Nafta,  przezroczysta, żółta ciecz z niebieskawym połyskiem i charakterystycznym zapachem. Stosowana dawniej głównie do oświetlania (lampa naftowa), obecnie używana jako paliwo do silników wysokoprężnych lub odrzutowych i jako surowiec do otrzymywania benzyny metodą krakingu lub reformingu. Kolejna frakcja po nafcie to olej gazowy lekki (solarowy). Jest używany jako paliwo do silników wysokoprężnych Diesla – tańsze od benzyny, ponieważ nie wymaga przeróbki chemicznej. Cięższe frakcje olejowe (olej smarowy) służą do smarowania mechanizmów.

Olej opałowy

Olej opałowy oferowany na rynku paliwowym podlega w zakresie swych własności normie PN-76/C-96024 [24]. Wśród mineralnych olejów opałowych, oprócz czystych destylatów typu oleju opałowego występują także oleje ciężkie typu mazut, które są pozostałością po destylacji. Ciężki olej opałowy jest produktem odpadowym po rafinacji i składa się z różnych frakcji węglowodorowych, które powstają podczas obróbki ropy naftowej.

Ważną właściwością olei ciężkich jest zawartość popiołu. Wpływa on bowiem istotnie na zanieczyszczenia i korozję urządzeń kotłowych. Popioły rozpuszczone w oleju opałowym w ogóle nie dają się z niego usunąć lub usuwają się w bardzo niewielkim stopniu. Skład popiołów stanowi głównie wanad i sód oraz różnego rodzaju związki metali. Za zanieczyszczenia powierzchni ogrzewalnych kotłów odpowiedzialny jest przede wszystkim wanad, sód oraz siarka. W mieszaninie z siarczanem sodu wanad tworzy niskotopliwą eutektykę o punkcie topnienia około 500°C. Składniki popiołu oprócz zanieczyszczeń mogą wywoływać również korozję wysoko lub niskotemperaturową. Korozja wysokotemperaturowa występuje wówczas gdy odkłada się pięciotlenek wanadu w stanie czystym. W tym stanie wzmaga on adsorbcję tlenu, co prowadzi do tworzenia się zgożelin. Korozja niskotemperaturowa występuje głównie wskutek obecności w spalinach SO₂ lub SO₃ , które przy wykropleniu pary wodnej tworzą kwasy działające na powierzchnie metalowe kotła. W eksploatacji kotłów energetycznych opalanych olejem stosuje się olej opałowy ciężki oznaczony Nr 3 (mazut). Zgodnie z terminologią ISO, przyjętą w ogólnym systemie klasyfikacyjnym produktów naftowych podanym w normie ISO 8681, Polski Komitet Normalizacyjny wprowadził system klasyfikacyjny paliw. Według tego systemu produkty oznaczone klasą F obejmują paliwa i ich komponenty pochodzące wyłącznie z przeróbki ropy naftowej. Oleje opałowe, zgodnie z podziałem zaliczają się do grupy oznaczonej symbolem R, obejmującej tzw. paliwa pozostałościowe z procesów destylacyjnych. Rozróżnia się trzy rodzaje olejów opałowych i oznacza cyframi l, 2 i 3. Poniżej podano najważniejsze cechy olei.

Gęstość jest ilościowym wskaźnikiem składu oleju opałowego czyli zawartości jego głównych składników, węgla i wodoru. Na podstawie gęstości można z przybliżeniem określić stosunek H/C (H/C =0,185-0,153) oraz wartość opałową oleju. Polska Norma: PN-90/C-04004 [12], podaje trzy metody oznaczania gęstości: areometrem, piknometrem i piknometrem dwukapilarnym. Przy pomiarze gęstości olei opałowych najczęściej stosuje się pomiar przy pomocy areometru. Jako temperaturę odniesienia przyjmuje się temperaturę 293 K.

Lepkość oleju opałowego jest jedną z najważniejszych danych analitycznych, ponieważ na jej podstawie można różnicować poszczególne gatunki oleju. Lepkość określa temperaturę przetłaczania i transportu. Przy wykorzystaniu oleju jako paliwa lepkość jest charakterystyczną wielkością, mającą wpływ na konstrukcję rozpylaczy palników, łatwość rozpylania i wielkość kropli oleju. Na wykresie przedstawiono zmiany lepkości podstawowych olei w funkcji temperatury. Dla prawidłowej pracy palnika należy przestrzegać granicznych wartości lepkości, a więc granicznych wartości temperatury podawanego oleju. 1°E odpowiada lepkości kinematycznej wody w temperaturze 20°C.

Temperatura krzepnięcia oleju. Punktem krzepnięcia jest temperatura, w której pod działaniem siły ciężkości olej przestaje być płynny. Pomiar temperatury krzepnięcia metodą probówkową określa Polska Norma PN-55/C-04016 [16]. Według tej normy jest to temperatura, w której olej zmniejsza tak swą ruchliwość, że po pochyleniu probówki z badanym produktem o 45° menisk nie ulegnie przesunięciu w ciągu l min. Punkt krzepnięcia nie pozostaje w żadnym bezpośrednim związku z lepkością. Olej opałowy o wyższej lepkości może mieć niski punkt krzepnięcia i odwrotnie.

Zawartość wody. Wszystkie oleje opuszczające rafinerie są praktycznie bez domieszek wody. W praktyce jednak w momencie korzystania z olei opałowych należy się liczyć z pewną zawartością wody w następstwie tworzenia się rosy, przecieków, wpływu transportu itd. W oleju opałowym znajduje się woda, która osiada na dnie zbiornika i woda, która nie osiada lecz z innymi zanieczyszczeniami powoduje tworzenie się szlamu, który może doprowadzić do zakłóceń w pracy instalacji olejowej. Całkowitą ilość tej wody, zwanej wodą niezwiązaną, oznacza się zgodnie z Polską Normą PN-83/C-04523 [22] metodą destylacyjną. Zasada oznaczania polega na oddestylowaniu zawartej wody i zmierzeniu jej objętości w odbieralniku.

Zawartość stałych ciał obcych w olejach opałowych odgrywa podobną rolę jak zawartość wody. Działanie obu czynników może potęgować tworzenie się zanieczyszczeń szlamowych. Zanieczyszczenia te w niekorzystnych przypadkach zatykają filtry lub dysze palników. Jako stałe ciała obce wg Polskiej Normy PN-58/C –04089 [21]. Są to głównie zanieczyszczenia nieorganiczne, nierozpuszczalne w oleju.

Zawartość wanadu. Oznaczenie zawartości wanadu ma na celu ocenę jakości paliw, gdyż zawarty w nich wanad może powodować silną korozję powierzchni ogrzewalnych. Wg Polskiej Normy PN-77/C-04029 [17] oznaczenia zawartości wanadu stosuje się dla olei o początkowej temperaturze wrzenia wyższej od 300°C.

Pozostałość po spopielaniu. Olej zawiera pewne pierwiastki chemicznie związane, które nie są palne, ale nie dają się oddzielić mechanicznie – poprzez filtry. Te chemicznie związane pierwiastki określane jako popiół, występują z reguły w bardzo niewielkich ilościach. Lekkie oleje opałowe posiadają tylko śladowe ilości popiołu.

Zawartość siarki. Wszystkie oleje zawierają pewną ilość organicznie związanej siarki. Dla instalacji olejowych siarka jest jednak nieszkodliwa. Siarka zawarta w oleju opałowym spala się do SO₂co stanowi poważny problem dla środowiska. Oznaczenie zawartości siarki w badanych olejach przeprowadza się zgodnie z Polską Normą PN-83/C-04091 [22].

Skłonności do nagarowania. Skłonność oleju do tworzenia nagaru jest miarą powstawania stałej pozostałości po odparowaniu oleju bez dopływu powietrza. Ilość powstającego koksiku określa zdolność próbki oleju do nagarowania. Tworzenie nagaru w urządzeniach paleniskowych może występować z reguły dopiero wtedy, gdy normalny przebieg spalania będzie zakłócony, jeśli np. kropelki oleju przed całkowitym spaleniem spadną na zimne powierzchnie ogrzewalne lub wystąpi miejscowy ewentualnie ogólny brak tlenu.

Zastosowanie paliw płynnych w eksploatacji kotłów niesie ze sobą szereg ułatwień, które wynikają z ich fizykochemicznego charakteru. Do zalet jakie wykazują paliwa płynne należą: powtarzalna jakość paliwa przez dostatecznie długi okres czasu, ustabilizowana jakość spalania, ustabilizowany przedział temperatury spalania, wysoka sprawność spalania, możliwość spalania z nadmiarem powietrza zbliżonym do stechiometryczncgo, łatwość osiągnięcia poziomu spalania ekologicznie czystego, łatwość formowania kształtu geometrycznego żagwi płomienia i dostosowanie go do lokalnych wymogów, łatwość automatyzacji transportu i regulacji ilości spalanego paliwa i możliwość pełnej automatyzacji, łatwość składowania i transportu paliwa, prosty i bezpieczny sposób obsługi instalacji, prosta budowa urządzenia kotłowego, wysoka dyspozycyjność. W tabeli 1.1.2  zamieszczono własności oleju lekkiego EL4, a w tabeli 1.1.3  własności olei opałowych.

Właściwości oleju lekkiego EL

Spotykane na rynku krajowym palniki olejowe przeważnie firm zachodnich są przystosowane do spalania oleju opałowego lub oleju napędowego o właściwościach ujętych w PN-76/C-96024 [24] (polski olej), oraz oleju lekkiego EL produkowanego wg normy D1N 51603. Oleje te zaliczane są do cieczy palnych 111 klasy niebezpieczeństwa pożarowego (produkty naftowe o temperaturze zapłonu wyższej od 328,15 K (55 ^oC) do 373,15 K (100°C) w warunkach bezciśnieniowych.

Własności olei opałowych

·  WĘGLE KOPALNE, palne osadowe skały organogeniczne złożone gł. z uwęglonych szczątków roślinnych; powstają z torfu (węgle humusowe, o dużym znaczeniu gosp., np. węgiel brun., węgiel kam., antracyt)

·  WĘGIEL KAMIENNY, węgiel kopalny zawierający 78–92% pierwiastka węgla (do w.k. zalicza się zwykle także antracyt, zawierający do 96% pierwiastka węgla); czarny, kruchy; rozróżnia się 4 składniki (litotypy) w.k. — węgiel błyszczący (witryn), półbłyszczący (klaryn), matowy (duryn) i włóknisty (fuzyn); wykorzystywany jako paliwo, m.in. w energetyce; poddawany przeróbce chem. (odgazowaniu, wytlewaniu, uwodornianiu, zgazowaniu), której produktami są inne paliwa (m.in. koks, gazy opałowe) oraz półprodukty dla przemysłu chem. (smoła węglowa i wytlewna, gaz syntezowy, benzol

·    WĘGIEL BRUNATNY, węgiel kopalny zawierający 65–78% pierwiastka węgla; brun. lub czarny, niekiedy o zachowanej strukturze drewna (lignit); paliwo, wykorzystywane gł. w energetyce; poddawany także przeróbce chem. (wytlewaniu, zgazowaniu, uwodornianiu, ekstrakcji), m.in. na półkoks, smołę wytlewną, gazy przem., wosk montanowy; niekiedy używany jako nawóz; gł. złoża: Niemcy, Rosja, Czechy, USA, Polska (zagłębia: Bełchatowskie, Turoszowskie, Konińskie; także okolice Legnicy, Leszna i in.).

·     KOKS, porowata substancja zawierająca ok. 96% pierwiastka węgla; produkt wysokotemperaturowego odgazowania (koksowania) węgla albo odgazowania paku (k. pakowy) lub gudronu (k. naftowy); stosowany w hutnictwie (składnik wsadu wielkopiecowego), jako paliwo, do produkcji karbidu, gazu generatorowego, k. pakowy i naft. — gł. do wyrobu elektrod.

·   GAZ ZIEMNY, występuje obok ropy naftowej jako tak zwany gaz mokry lub osobno w złożach jako gaz suchy. Głównym składnikiem gazu ziemnego mokrego jest metan, poza tym etan i kilka wyższych węglowodorów dających łatwo się skroplić. Podczas przeróbki „mokrych” gazów poddaje się tzw. Odbenzynowaniu – oddziela się benzynę od zawartych w nich węglowodorów niższych. W wyniku tego procesu otrzymuje się gazolinę oraz gaz suchy składający się głównie z metanu a oprócz tego zawierający etan, propan, i niewielkie ilości butanu. Gazolinę poddaj się stabilizacji i destylacji pod ciśnieniem oddzielając węglowodory lekkie – powstaje gaz płynny (propan-butan) i gazolina stabilizowana (pentany, heksany, heptany).

Gaz płynny przechowywany jest w czerwonych butlach stalowych. Jest stosowany jako materiał opałowy w gospodarstwie domowym (tam gdzie nie ma jeszcze normalnej instalacji gazowej), w kuchenkach turystycznych i zapalniczkach, ponadto do cięcia, topnienie i spawania metali kolorowych oraz topienia szkła. Jest też nieocenionym oraz podstawowym surowcem w wielu zakładach chemicznych. Gaz suchy stosuje się jako paliwo, ale głównie jako surowiec w przemyśle chemicznym. Gazolina stabilizowana stosowana jest jako składnik podnoszący prężność par benzyny, a także jako rozpuszczalnik tłuszczów.

·   TORF, jest mieszanina substancji organicznych (kwasy huminowe i ich związki, celuloza, hemiceluloza, lignina, bituminy) zawierające duże ilości węgla (ok. 60%) i azotu, a także substancje mineralne (krzemionka, żelazo).

Biopaliwa – zostaly szczegółówo omówione w dziale technika urządzeń i systemów energetyki odnawialnej.