Vsebina: GORIVA vrste, karakteristike, lastnosti goriva v Sloveniji 1
Pojem goriva Goriva so snovi z veliko kemične notranje energije, ki se sprošča pri zgorevanju. Zgorevanje je hiter proces oksidacije. Sproščena kemična notranja energija se med zgorevanjem prenaša na snovi produktov zgorevanja kot kinetična notranja energija molekul dimnih plinov. S tem se poveča njihova kalorična notranja energija in temperatura. Dobili smo vir toplote. Goriva delimo po agregatnem stanju na trdna, kapljevita in plinasta ter po nastanku na naravna in umetna oz. sintetična. Naravna goriva so fosilna, jedrska in biogoriva, umetna pa dobimo s predelavo naravnih goriv. 2
Karakteristike goriv Fizikalne lastnosti goriv moramo poznati za projektiranje in konstruiranje transportnih in zgorevalnih naprav, gorilnikov in priprave goriva za zgorevanje. Poznavanje kemičnih lastnosti goriv pa rabimo za kvalitetno vodenje procesa zgorevanje ter za projektiranje sistemov, ki to omogočajo. Med fizikalne lastnosti goriv štejemo: gostoto, specifično toploto, vnetljivost, transportne lastnosti, itd,. ter še posebej nasipno težo in meljivost pri trdnih gorivih, viskoznost pri kapljevitih in meje eksplozivnosti pri plinastih gorivih. Med kemične lastnosti štejemo: elementno sestavo, kurilnost, zgorevalno toploto, količino zgorevalnega zraka, produkte zgorevanja, itd. Kemične lastnosti določamo na osnovi kemične sestave goriva, ki jo izmerijo v akreditiranih kemijskih laboratorijih. 3
Sestava goriv Sestavo goriv se določa s kemično analizo vzorcev goriva, ki jih s postopkom vzorčevanja odvzamemo iz celotne mase goriva. Zaradi različnih fizikalnih lastnosti se vsebina kemične analize za trdna in kapljevita goriva razlikuje od vsebine rezultatov analize za plinasta goriva. Trdna in kapljevita goriva Pri trdnih in kapljevitih gorivih se določajo masni deleži elementov: ogljika, vodika, dušika, žvepla in še vsebnost vode ter vsebnost negorljivih snovi, ki jih imenujemo pepel. Dodani so lahko še podatki o izmerjeni kurilnosti, gostoti, viskoznosti, itd. Plinasta goriva Kemična analiza plinastih goriv vsebuje masne deleže vseh plinastih komponent, ki sestavljajo gorivo. Dodani so lahko še podatki o izmerjeni kurilnosti, gostoti, itd. 4
Analize goriv za določanje sestave Razlikujemo dve obliki analiz: - kemična analiza ali elementna analiza in - kratka analiza. Kemična analiza trdnih in kapljevitih goriv vsebuje izmerjene vrednosti masnih deležev elementov v gorivu ter še podatke o deležih vode in pepela. Pri plinastih gorivih pa ne določamo elementov temveč masne deleže plinov, ki sestavljajo gorivo. Kratka analiza vsebuje podatke o masnih deležih vlage, pepela, gorljivega dela in lahko tudi druge podatke, npr. deleži hlapljivih snovi, fiksnega, neizparljivega ogljika, itd. 5
Analize goriv za določanje sestave Primer rezultatov kemične analize goriva Kemična kratka analiza velenjskega lignita, ki se kuri v termoelektrarni Šoštanj: kratka analiza: vlaga pepel žveplo gorljivo kurilnost % % % % MJ/kg 35 14 1,6 51 11 Kemična elementna analiza velenjskega lignita, ki se kuri v termoelektrarni Šoštanj: elementna analiza: dostavljeno brez vode in pepela ogljik % vodik % dušik % kisik % žveplo % 32,43 3,36 0,86 12,74 1,61 63,59 6,59 1,69 24,98 3,15 6
Analize goriv za določanje sestave Grafični prikaz sestave trdnih goriv Prikaz sestave trdnega goriva je narejen za velenjski lignit. 7
Trdna goriva -premog NASTANEK IN STAROST PREMOGOV Antracit - prične nastajati delno že v devonu (pred cca. 400 milijoni let), večinoma pa je nastal v zgodnjem karbonu pred 350 milijoni let. Črni premog - pozni karbon in perm v času pred 250 do 320 milijoni let. Rjavi premog - je mlajši, pričel je nastajati po permu pred nekaj deset milijoni let. Lignit - je najmlajša vrsta premogov, stara nekaj milijonov let. Trboveljski rjavi premog - je iz oligocena in je star od 20 do 35 milijonov let. Velenjski lignit - je iz obdobja pliocen v terciarju in je star od 2 do 5 milijonov let. Za nastajanje premogov so bili potrebni tudi pogoji za potek procesa karbonizacije, pri katerem v organski masi narašča delež ogljika, niža pa se delež dušika, vodika in kisika. Za nastanek črnih premogov je bila potrebna temperatura do 350 ºC, za nastanek antracita pa tja do 500 ºC. 8
Trdna goriva - premog Negorljive snovi v premogu - pepel Snovi, ki ne gorijo imenujemo pepel. Večinoma so to minerali, zemlja,itd. Pri uporabi povzročajo neželjene učinke, zmanjšujejo gorljivi delež v gorivu, otežujejo mletje, povzročajo zažlindravanje ogrevalnih površin in tudi abrazijo kotlov. Zažlindravanje je pojav nalaganja lepljivega pepela na hladnejših površinah v kurišču. Intenziteta pojava je odvisna od sestave pepela in temperature. Nagnjenost pepela k zažlindravanju je odvisna od deležev posameznih mineralnih komponent v pepelu in razmerja med njimi. Nagnjenost pepela k zažlindravanju ugotavljamo na več načinov: - z določanjem karakterističnih temperatur s postopkom po DIN 51730 - s pomočjo Altmanovega trikotnika in - s testnim kurjenjem premoga v kotlu. 9
Trdna goriva - premog Določanje karakterističnih temperatur zažlindravanja po DIN 51730 začetna temperatura 20 C temperatura mehčanja Temperature določamo na osnovi deformacij pri segrevanju valja. temperatura taljenja temperatura utekočinjenja 10
Trdna goriva - premog Določanje nagnjenosti k zažlindravanju po Altmanovi metodi 1 0,8 0,2 w Nagnjenost k zažl indr avanju: veli ka 0,6 (Fe O ) 2 3 0,4 sr ednja majhna w 0,2 O ) 2 3 (Al O 0,4 0,6 0,8 A: nagnjenost k zažlindravanju premoga iz trboveljskaga rudnika. 1 A 0,8 0,6 0,4 0,2 w (CaO + MgO + SO ) 3 Osnovna predpostavka za Altmanovo metodo je: 1 w(al 2 O 3 ) + w(fe 2 O 3 ) + w(cao) + w(mgo) + w(so 3 ) = 1 11
Trdna goriva - premog Rudniki premoga v Sloveniji Velenjski lignit: je humusni, ksilitni lignit z zaznavno lesno strukturo. Slabost je količina vlage (nad 40 %) in vsebnost žvepla. Debelina plasti v rudniku je 150 m na globini od 250 m do 400 m. Pri sedanji količini izkopa bodo zaloge zadostovale vsaj do leta 2050. Izkopani premog se uporablja izključno za termoelektrarno v Šoštanju. Trboveljski rjavi premog: je starejši od velenjskega lignita in z višjo kurilnostjo. Vsebuje manj vlage, vendar več pepela in žvepla. Rudnik je zaradi izčrpanosti zalog že dolgo časa v zapiranju. Izkopani premog se uporablja izključno za termoelektrarno v Trbovljah. Slabost slovenskih premogov je predvsem v visoki vsebnosti vlage, pepela in žvepla. V Sloveniji je bilo včasih veliko premogovnikov, ki danes zaradi nerentabilnosti ne obratujejo več: Kočevje, Seča, Zagorje, Senovo, Laško, Zabukovec, Kanižarica, Krmelj,... 12
Trdna goriva - premog Sestava lignita iz rudnika Velenje, jama Pesje 13
Trdna goriva Lesna biomasa K lesni biomasi prištevamo les, namenjen za kurjavo, ostanke sečnje v gozdu ter ostanke Industrijske predelave lesa - krajniki, lubje, žaganje in lesni prah, in tudi okoljsko problematični kemijsko obdelani ostanki, ki vsebujejo lepila, premaze, zaščitna sredstva. Suh les je sestavljen iz celuloze in lignina, vsebuje še smole, maščobe, voske, tanin in mineralne snovi. Vlažnost lesa je določena kot razmerje med maso vode in maso suhega lesa, v katerem se ta voda nahaja. Tehnično razlikujemo: 14
Kapljevita goriva - nafta NAFTA Je naravno kapljevito gorivo, ki ga sestavljajo parafini, nafteni in aromati - ogljikovodiki, torej molekule, ki imajo od 4 do 20 atomov ogljika. Nastanek: obstajata dve teoriji, organska in anorganska teorija. Bolj verjetna je teorija nastanka iz organskih snovi, ki predpostavlja nastanek nafte na dnu morij iz razpadlih organskih snovi alg, enoceličnih organizmov in drugih živali pod posebnimi pogoji: anaerobno v globinah med 2200 m in 4500 m. Druga, manj verjetna teorija predpostavlja nastajanje nafte globoko v zemeljskih plasteh iz anorganskih snovi zaradi delovanja anaerobnih bakterij. Sestava: ogljik 83-87 %, vodik 11-14 %, kisik 0,1-1 % ter tudi nekaj odstotkov vode in negorljivih snovi. Gostota: surove nafte je med 820-920 kg/m 3. Gostota frakcij se giblje od okoli 700 kg/m 3 pri bencinih, do 840 kg/m 3 pri ekstra lahkih kurilnih oljih in 970 kg/m 3 pri ekstra težkih kurilnih oljih ter tudi nad 1000 kg/m 3 pri katranskih oljih. 15
Kapljevita goriva - nafta Vsebnost vanadija in žvepla v nafti iz različnih nahajališč (V O )/ % 2 5 w 0,1 5 ZDA Rusija Romunija Srednja in Južna Amerika (Venezuela, Mehika, Peru) Bližnji in Srednji vzhod (Kuvajt, Iran) vsebnost vanadija kot V 2 O 5 2 0,01 5 2 0,001 0 1 2 3 4 5 vsebnost žvepla w(s)/ % 16
Kapljevita goriva naftni derivati Poročilo o meritvah gostote in kurilnosti, ki ga dobavitelj goriva dostavi naročniku. 17
Kapljevita goriva naftni derivati Kurilnost kurilnih olj v odvisnosti od gostote in masnih deležev žvepla Olja iz nafte so glede na gostoto razdeljena na: ekstra lahko, lahko, srednje, težko, ekstra težko in še dve vrsti katranski olj. Gostota olj se giblje od 840 kg/m 3 pri ekstra lahkem do 970 kg/m 3 pri ekstra težkem in tudi preko 1000 kg/m 3 pri katranskih oljih. Razen od vrste je gostota olj odvisna tudi od temperature. Računamo jo po izrazu: 2 ρt = ρ 0,00062( t 15) [ m / s] 15 0 C kjer je t temperatura olja. 18
Kapljevita goriva naftni derivati Kinematična viskoznost kurilnih olj Viskoznost kapljevitih goriv določa njihovo sposobnost za transport in razprševanje. V industriji uporabljamo Englerjevo skalo za viskoznost. Med kinematično viskoznostjo in Englerjevo obstoja povezava: ν = D E [ m 2 / s] kjer je D eksperimentalno določen koeficient. Za vodo pri 20 0 C je vrednost viskoznosti po Englerju in kinematične viskoznosti enaka 1. 19
Plinasta goriva Zemeljski plin Zemeljski plin je na izstopu iz vrtine zmes parafinskih ogljikovodikov z največjim delom metana CH 4, ki ga je običajno več kot 90 vol.% in manjšim delom višjih alkanov. Sestava plina se razlikuje glede na črpališče in tudi glede na izčrpanost nahajališča. Iz nahajališč do uporabnikov se transportira po plinovodih, ki so površinski, vkopani ali podmorski. Za čezoceanski transport zemeljskega plina se uporabljajo tankerji za ukapljen zemeljski plin, ki ima pri tlaku okolice temperaturo 161,5 C. Plinovodi za zemeljski plin Tranzitni plinovodi - za transport velikih količin zemeljskega plina na velikih razdaljah. So jekleni premera do 1,5 m in dolgi več tisoč kilometrov. Tlak plina je od 70 do 100 bar. Magistralni plinovodi - za transport znotraj držav. Premer plinovoda manjši od 1 m, tlak v plinovodu je nižji od 70 bar. Distribucijski plinovodi - za transport do končnih uporabnikov. Tlak plina je pod <8 bar. Pri porabnikih je dodatna redukcija tlaka plina na 0,03 bar. 20
Analiza zemeljskega plina iz Rusije sep. 2002 nov. 2005 21
Analiza zemeljskega plina iz Rusije Spreminjanje sestave zemeljskega plina iz nahajališča v Rusiji. febr. 2009 Leto CH4 C2H6 CO2 N2 % % % % 2002 97,97 0,76 0,08 0,8 2005 97,50 1,02 0,14 0,85 2009 96,60 1,55 0,29 0,9 Nižanje masnega deleža metana in višanje vsebnosti balasta v zemeljskem plinu kaže na postopno staranje nahajališča. 22
Transportni plinovodi v okolici Slovenije 23
Transport zemeljskega plina Magistralni plinovod zemeljskega plina in razvojni načrt za Slovenijo 24
Transport zemeljskega plina Kompresorski postaji v Sloveniji 25
Predvideni plinski terminali za ukapljen zemeljski plin VIR: http://www.gie.eu.com 26
Bodoči Južni tok Transport zemeljskega plina 27
Ukapljen naftni plin Lastnosti in skladiščenje Pri standardnem stanju (15 ºC, 1013 mbar) je naftni plin (NP) v plinastem stanju, v jeklenkah pa je vedno v kapljevitem stanju kot ukapljen naftni plin (TNP). Za rezervoarje, ki so v ogrevanih prostorih se uporablja mešanica z masnimi deleži 65 % butana in 35 % propana. Pri temperaturi okolice je tlak mešanice v jeklenki oz. rezervoarju višji od 6 bar. V rezervoarjih, ki so nameščeni izven zgradb, mora mešanica vsebovati vsaj 98 % masnega deleža propana, ker pri nizkih temperaturah butan ni več v plinastem stanju oziroma ni več uparljiv. Pri tlaku 1013 mbar butan kondenzira pri -0,49 ºC, propan pa pri temperaturi -41,9 ºC. 28