GORIVA

1. TEHNIČKI FAKULTET Sveučilišta u Rijeci GORIVA Brodski sustavi, Dio 1.

2. 1. UVOD • Čovjek je odavno poznavao naftu i koristio je u različite svrhe kao: • fosilno gorivo (6.000 godina pr. n. e., Sumerani); • sredstvo za brtvljenje brodova (Feničani); • žbuku i premaz (Babilonci); • zaštita zidova od vlage (Egipćani); • zaštita pri balzamiranju mrtvaca (Egipćani); • sredstvo za podlogu u gradnji cesta (Perzijci); • sredstvo za rasvjetu (Kinezi); • sredstvo za dezinfekciju u medicini (Kinezi, Grci i Rimljani); • sredstvo za religiozne svrhe obožavatelja vatre (okolica Bakua)

3. 2. NAZIVI I POČECI PRIMJENE NAFTE • Prvi nazivi za naftu: “znoj Zemlje”, “krv dubine” i “eliksir života” • Naziv nafta potječe od staroperzijske riječi “nafada” što znači “znojiti se”. • Sve do prve polovine XIX st. nafta se smatrala ljekovitom, a za druge primjene gotovo bezvrijednom. • Prva destilacija nafte u Rusiji, a organizirali su je braća Dubinin. • Pravi početak moderne proizvodnje nafte: 27.08.1859. godine u Pennsylvaniji gdje je bušenjem do 21 metara dubine pronađena nafta. Taj se datum obilježava kao «dan prerađivača nafte». • Prvo dobivanje nafte u Hrvatskoj datira od 1788. godine u području Peklenice (Međimurje). • Već 1900. godine njena proizvodnja u svijetu dostiže 20 milijuna tona

4. 3. BRODSKA PRIMJENA TEKUĆIH I PLINOVITIH GORIVA • Kao pogonsko gorivo za porivne sustave broda u uporabi su tekuća i, u novije vrijeme, plinovita goriva. • Tekuća goriva mogu biti prerađevine nafte ili se mogu dobiti umjetnim načinom iz krutih goriva ili organskih tvari. • Plinovita goriva se pojavljuju kao prirodna (npr. zemni plin), a dobivaju se i umjetnim načinom. • U propulziji broda u uporabi su sljedeći toplinski strojevi odnosno pogonska postrojenja: • motori s unutarnjim izgaranjem - do 52% korisnog djelovanja • parnoturbinska postrojenja - do 45% korisnog djelovanja • plinskoturbinska postrojenja - do 55% korisnog djelovanja • kombinirana postrojenja (dizelska, parnoturbinska, plinskoturbinska) - do 60% korisnog djelovanja. • Za motorne pogone, porivne i pomoćne, najvažnija su i najčešća u primjeni tekuća goriva. • Za parnoturbinske i plinskoturbinske pogone u primjeni su tekuća i plinovita goriva.

5. 4. VRSTE TEKUĆIH BRODSKIH GORIVA • Brodska dizelska i teška goriva upotrebljavaju se za brodske: • motore s unutarnjim izgaranjem • generatore pare • plinske turbine • Skupni nazivi mogućih goriva za brodske : • dizelske motore: • vrlo lako gorivo (Marine Gas Oil - MGO) • lako dizelsko gorivo (Marine Diesel Oil - MDO) • teško gorivo (Heavy ili Bunker Fuel Oil - HFO ili BFO) u koja se svrstavaju: • miješano gorivo (Intermediate Fuel - IF) • ostatna goriva (Residual Marine Oil – RMO) • generatore pare: • teško gorivo (Heavy ili Bunker Fuel Oil - HFO ili BFO) • miješano gorivo (Intermediate Fuel - IF) • ostatna goriva (Residual Fuel Oil - RMO) • plinske turbine: • vrlo lako gorivo (Marine Gas Oil - MGO) • lako dizelsko gorivo (Marine Diesel Oil - MDO) • miješano gorivo (Intermediate Fuel - IF)

6. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA PREGLED OSNOVNIH ZNAČAJKI BRODSKIH GORIVA: • Ogrjevna vrijednost goriva (Hd) • Temperatura plamišta (Flash Point) ili plamište • Temperatura ili točka samozapaljenja • Gustoća goriva • Conradsonov broj • Temperatura stinjavanja ili stinište • Dinamička ili apsolutna viskoznost • Kinematska viskoznost • Cetanski broj • Udio sumpora • Udio pepela i vanadija • Sadržaj vode • TAN (Total Acid Number) • TBN (Total Base Number)

7. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Ogrjevna vrijednost goriva (Hd) jest količina topline koja se oslobađa izgaranjem jedinice mase goriva, a sadržana je u plinovima izgaranja. Referentna temperatura pri kojoj se određuju ogrjevne vrijednosti iznosi 25 °C. Pri referentnoj temperaturi, koja je ujedno i prosječna temperatura okoline, plinovi izgaranja kondenzacijom se oslobađaju vodene pare koja je nastala izgaranjem vodika i iz udjela vlage u gorivu. Prema nazivu i vrijednosti, razlikuju se donja i gornja ogrjevna vrijednost goriva. Toplina oslobođena izgaranjem, a sadržana u plinovima izgaranja, naziva se gornja ogrjevna vrijednost i označava se sa Hg. Gornja ogrjevna vrijednost veća je za toplinu koju vodena para iz plinova izgaranja kondenzacijom predaje okolini i nije korisna za toplinski proces. Zbog toga se za toplinske proračune upotrebljava donja ogrjevna vrijednost (Hd). Razlika između donje i gornje ogrjevne vrijednosti ovisi o udjelu vlage u gorivu (w) i udjelu vodika u gorivu (h), a po jedinici mase vodene pare iznosi 2,5 MJ/kg, što je toplina isparavanja vode pri okolnom tlaku. Hg = Hd + 2,5 ·W MJ/kgg gdje je: 2,5 MJ/kg - toplina isparavanja vode h - kgH2/kgg - maseni udio vodika u gorivu w - kgH2O/kgg - maseni udio vode u gorivu W = 18(h/2 + w/18) kgH2O/kgg - vodena para nastala izgaranjem goriva

8. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Kemijski sastav goriva definiran u masenim udjelima sastoji se od: c + n + h + o + s + a + w = 1 kg/kg gdje je: c – maseni udio ugljika u gorivu u kgC/kgg n – maseni udio dušika u gorivu u kgN/kgg h – maseni udio vodika u gorivu u kgH/kgg o – maseni udio kisika u gorivu u kgO/kgg s – maseni udio sumpora u gorivu u kgS/kgg a – maseni udio pepela u gorivu u kga/kgg w – maseni udio vode u gorivu u kgH2O/kgg Na osnovi poznatoga sastava goriva, donja ogrjevna vrijednost Hd može se izračunati prema sljedećoj jednadžbi: Prosječni udjeli gorivih elemenata u gorivu za brodske motore su: c = 0,85 kg/kgg; h = 0,13 kg/kgg; o = 0,017 kg/kgg; s = 0,003 kg/kgg , iz čega slijedi prosječna donja ogrjevna vrijednost goriva za brodske motore: Hd≈ 42 MJ/kg

9. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Donja ogrjevna vrijednost goriva može se izračunati i s pomoću sljedeće jednadžbe: Hd≈ (47,704 - 8,802·10-6·ρ2+3,167·10-3·ρ)·[1-0,01·(w+a+s)]+0,01(9,42·s-2) gdje je: ρ – gustoća goriva pri 15,5 °C u kg/m3 w – maseni udio vode u gorivu u kgH2O/kgg a – maseni udio pepela u gorivu u kga/kgg s – maseni udio sumpora u gorivu u kgS/kgg Brodska goriva koja imaju donju ogrjevnu vrijednost od 39,5 do 43 MJ/kg, smatraju se dobrim gorivima, a goriva do 39 MJ/kg smatraju se lošim gorivima. Pri usporedbi karakteristika motora, specifična potrošnja goriva preračunava se za referentno gorivo sa 42,7 MJ/kg. Ako nema sigurnijih podataka o ogrjevnoj vrijednosti goriva, gustoća goriva može poslužiti kao osnova za približan izračun gornje ogrjevne vrijednosti goriva. Tako je American Bureau of Mines ustanovio približnu gornju ogrjevnu vrijednost goriva u MJ/kg iz poznate gustoće goriva: Hg ≈ 51,916 -8,792 ρ2 gdje je: ρ - gustoća goriva pri 15,5 °C u kg/m3.

10. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Temperatura plamišta (Flash Point) ili plamište (goriva i maziva) najniža je temperatura pri kojoj se smjesa oslobođenih gorivih para i zraka u dodiru s otvorenim plamenom zapali. Temperatura plamišta svih tekućih pogonskih goriva na brodu mora biti iznad 60 C jer se takva goriva koriste u zatvorenom prostoru. Temperatura plamišta nepogonskih goriva na brodu (čamci za spašavanje) može biti i ispod 60 C (lako dizelsko gorivo ima temperaturu plamišta najmanje na +43 C) jer se takva goriva koriste na otvorenom prostoru. Radi usporedbe, temperatura plamišta ulja za podmazivanje znatno je viša i obično za novo ulje iznosi 230 C - 254 C. Ako gorivo dospije u ulje za podmazivanje, plamište ulja može pasti do 170 C, što se smatra krajnjom granicom kada postoji opasnost od zapaljenja uljnih para u karterima (uljnim kadama) motora. Iskustvo je pokazalo da udio od 1% goriva u ulju za podmazivanje snizuje temperaturu plamišta ulja približno za 10 C.

11. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Temperatura ili točka samozapaljenja (SIT - Spontaneous Ignition Temperature) najniža je temperatura pri kojoj dolazi do samoupaljivanja goriva, odnosno temperatura pri kojoj se gorivo zapali uz prisutnost zraka i BEZ prisutnosti izvora paljenja, kao što je npr. iskra ili plamen. Benzin za pogon motornih vozila ima temperaturu samozapaljenja oko 260 C (eurosuper 95 i 98). Za dizelska goriva motornih vozila, temperatura samozapaljenja iznosi oko 340 C (eurodizel i D-2). Brodska dizelska i teška goriva imaju temperaturu samozapaljenja višu od one za motorna vozila, a kreće se od 400 C do 500 C. Rad dizelskih motora, u kojima se paljenje goriva obavlja samozapaljenjem uštrcanoga goriva u komprimirani zrak u cilindru ovisi o samozapaljivosti korištenoga goriva. Goriva s višim temperaturama samozapaljenja imaju za posljedicu otežano početno paljenje motora i naginju nepotpunom izgaranju (povećani udio CO u plinovima izgaranja).

12. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Gustoća goriva Sastav i svojstva sirove nafte usko su povezani, a razlikuju se prema mjestu nalazišta. Gustoća nafte i naftnih proizvoda (), radi usporedbe, definirana je redovito pri referentnoj ili nazivnoj temperaturi koja iznosi 15,5 C (60 F). Pri ostalim se temperaturama gustoća određuje posebno za svaki medij, pa tako i za naftu i naftne derivate. U pomorstvu se zbog velikog utjecaja SAD-a, a pogotovo u naftnom gospodarstvu u svijetu, koristi i mjerna jedinica gustoće goriva API- gradacija goriva umjesto gustoće (kg/dm3) te Fahrenheit (F) kao jedinica za temperaturu. API-gradacija označava se u stupnjevima API-ja, a bilježi se kao: API. Preračunavanje gustoće nafte i naftnih derivata iz kg/dm3 u °API i obrnuto izvodi se pri nazivnoj temperaturi od 15,5 C (60 F), prema jednadžbama:  = 141,5/(API +131,5) API =(141,5/) -131,5 , odnosno • API gradacije iznose za: • teška brodska goriva °API = 5 do 29 • dizelska brodska goriva °API = 23 do 48 • avionska goriva (kerozin) °API = 38 do 56 • motorni benzin °API = 48 do 66

13. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Promjena gustoće nafte i naftnih derivata u odnosu na promjenu API - gradacije °API >10 za naftu i naftne derivate manje gustoće od vode °API < 10 za naftu i naftne derivate čija je gustoće veća od gustoće vode

14. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Približna gustoća goriva može se odrediti i iz sastava goriva prema jednadžbi: • S obzirom na gustoću, tekuća se goriva dijele na: • vrlo laka: do 650 kg/m3 • laka: 650 do 755 kg/m3 • srednja: 755 do 920 kg/m3 • teška: 920 do 1015 kg/m3 Conradsonov broj (CCR - Conradson Carbon Residue) - predstavlja koksirani ostatak goriva izražen u % koji preostaje nakon što gorivo ispari, odnosno ukazuje na sadržaj asfaltena u gorivu. Previsoki CCR može izazvati probleme u izgaranju, jače stvaranje naslaga na dijelovima motora ili preveliko stvaranje taloga u separatorima. Za brodska dizelska goriva CCR iznosi od 0,14% do 3%, a za brodska teška goriva od 10% do 22% masenog udjela.

15. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Temperatura stinjavanja ili stinište (Pour Point)- predstavlja temperaturu pri kojoj gorivo gubi sposobnost tečenja. Pri toj temperaturi dolazi do kristalizacije parafina u gorivu te ono postaje neprozirno. Želi li se temperatura stinjavanja goriva sniziti, treba smanjivati udio parafinskih ugljikovodika pri miješanju goriva, jer parafinski ugljikovodici imaju visoke temperature stinjavanja u odnosu prema drugim ugljikovodicima iste temperature vrelišta. Drugi način snižavanja temperature stinjavanja provodi se uporabom aditiva - depresanata stiništa. Poznato je da parafini imaju visok cetanski broj, a za brodska goriva poželjan je cetanski broj veći od 32. Metoda snižavanja temperature stinjavanja uklanjanjem parafina rezultira smanjenjem cetanskog broja, pa zato u ovakvim slučajevima treba odlučiti čemu je potrebno pridavati veću pozornost - temperaturi stinjavanja ili cetanskom broju. Za brodska dizelska goriva temperatura stinjavanja iznosi od -6 °C do +6 °C, a za brodska teška goriva od +24 °C do +30 °C. Za dizelska goriva koja su u uporabi na kopnu temperatura stininjavanja iznosi od -15 °C do - 18 °C.

16. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Viskoznost goriva Viskoznost je svojstvo tekućina i plinova, a odnosi se na veličinu unutarnjeg trenja između čestica te drugih međumolekularnih sila. • Pri definiranju unutarnjeg trenja tekućina i plinova, u primjeni je nekoliko “vrsta” viskoznosti: • • dinamička ili apsolutna viskoznost • • kinematska viskoznost i • • relativna viskoznost Dinamička ili apsolutna viskoznost (η) mjera je otpornosti tekućine prema tečenju ili plina prema gibanju. Definira se kao odnos primijenjenoga smičnog naprezanja i gradijenta brzine smicanja. Jedinica za dinamičku viskoznost je Pa s. Pascal sekunda je izvedena SI jedinica dinamičke viskoznosti homogenog medija koji laminarno struji (slika) i u kojem između dva paralelna sloja na udaljenosti od 1 m (Δy), s razlikom u brzini od jednog metra u sekundi (Δv), nastaje smično naprezanje od 1N/m2 ili 1 Pa djelovanjem smične sile od 1N.

17. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Jedinica dinamičke viskoznosti u c-g-s sustavu mjernih jedinica (koji nije više u uporabi, ali se još uvijek susreće) je Poisse (P), a odnosi s mjernom jedinicom SI sustava su sljedeći: 1 P = 0,1 Pa s 1 cP = 1 mPa s Kinematska viskoznost (ν) definira se kao omjer dinamičke viskoznosti i gustoće fluida: ν= η/ ρm2/s Jedinica kinematske viskoznosti m2/s izvedena je SI jedinica koja je jednaka kinematskoj viskoznosti homogenog medija kojemu je dinamička viskoznost 1 Pa s, a gustoća 1 kg/m3 Jedinica za kinematsku viskoznost u c-g-s sustavu je Stockes (St); vrlo često se upotrebljava, a iznosi: 1 St = 10-4 m2/s 1 cSt = 1 mm2/s = 10-6 m2/s • Za brodska goriva uobičajene vrijednosti kinematske viskoznosti iznose: • brodsko plinsko ulje (MGO) od 2 do 7 cSt pri 40 °C • brodsko dizelsko gorivo (MDO) od 4 do 17 cSt pri 40 °C • brodsko teško gorivo (MFO): • miješano gorivo (IF) do 600 cSt pri 50 °C • ostatno gorivo (RM) do 700 cSt pri 50 °C (55 cSt pri 100 °C)

18. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA U praksi je ponekad u uporabi i relativna viskoznost, što znači da se viskoznost (osobito tekućina) uspoređuje s nekom standardnom vrijednosti. Relativna viskoznost se mjeri Englerovim viskozimetrom, a izražava u °E (Englera). Uređaj za mjerenje relativne viskoznosti se sastoji od standardizirane cilindrične posude volumena 200 cm³, koja na dnu ima otvor za ispuštanje tekućine čija se viskoznost mjeri. Omjer vremena istjecanja 200 cm3 tekućine (u ovom slučaju goriva) i vode, predstavlja °E. Za preračunavanje viskoznosti izražene u Englerovim stupnjevima u kinematsku viskoznost u SI jedinicama, služi empirijska formula: ν = (7,31 · °E - 6,31 / °E ) · 10-6 m2/s Da bi se postiglo dobro raspršivanje goriva pri ubrizgavanju u cilindar motora, potrebno je sniziti viskoznost goriva. To se postiže zagrijavanjem pri čemu se brodska teška goriva moraju zagrijavati i do temperature od 145 °C, dok brodska dizelska goriva nije potrebno zagrijavati prije ubrizgavanja u cilindar motora (dijagram slijedi). Viskoznost goriva pogodnog za ubrizgavanje u sporokretne dizelske motore iznosi oko 17 cSt, a za ubrizgavanje u srednjekretne motore od 13 do 16 cSt.

19. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Promjena viskoznosti različitih vrsta goriva u ovisnosti o temperaturi goriva

20. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Cetanski broj- određuje samozapaljivost goriva pri višim temperaturama. Donja granica cetanskog broja za srednjekretne motore je 40, a za sporokretne 30. U brodskomu teškom gorivu zajamčen je cetanski broj od 28 do 30, a u brodskomu dizelskom gorivu od 32 do 48 (radi usporedbe, eurodizel za motorna vozila ima cetanski broj 54). Kao idealno gorivo, za usporedbu se uzima cetan (C16H34) koji ima najbolju zapaljivost i kojemu je dodijeljena brojčana oznaka 100. Najnepovoljniju zapaljivost ima alfametil-naftalin (C11H10) kojemu je dodijeljena brojčana oznaka 0. Miješanjem volumnih udjela tih dvaju goriva, može se dobiti bilo koji cetanski broj brojčane oznake od 0 do 100. Takva je mješavina referentno gorivo. Utvrđivanje cetanskog broja nekoga goriva obavlja se usporedbom izgaranja referentnim gorivom pri istim uvjetima (kompresijski omjer, temperature motora, opterećenje). Udio sumpora- u gorivu treba biti što je moguće niži. Izgaranjem se veže u okside SO2 i SO3 koji s kapljicama kondenzirane vodene pare tvore sumporastu i sumpornu kiselinu te uzrokuju niskotemperaturnu koroziju. U brodskomu teškom gorivu dopušten je maseni udio sumpora do 5%, a u brodskomu dizelskom gorivu maseni udio sumpora do 2%.

21. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Udio pepela i vanadija- preporučuju se goriva s niskim udjelima pepela i vanadija. Pepeo uzrokuje pojačano habanje, dok se vanadij tijekom izgaranja goriva veže u V2O5 (vanadij pentoksid). Nastali vanadijev pentoksid taloži se na okolnim površinama na kojima djeluje jako korozivno pri temperaturama od 420 °C do 690 °C jer se pri tim temperaturama vanadijev pentoksid nalazi u rastaljenom stanju. Najveća oštećenja uzrokuje na dosjednim površinama ispušnih ventila dizelskih motora. Oksidacija metalnih površina odvija se prema sljedećoj kemijskoj formuli: 4Fe + 3V2O5 3V2O3 + 2Fe2O3 Korozivni vanadijev pentoksid (V2O5) djeluje na željezo u metalnim dijelovima pri čemu nastaju vanadijev trioksid (V2O3) i željezni dioksid (Fe2O3) na metalnoj površini. Proces se nastavlja na način da se nastali vanadijev trioksid u kemijskoj reakciji s viškom kisika iz plinova izgaranja, pretvara ponovno u vanadijev pentoksid. V2O3 + O2  V2O5 U brodskomu dizelskom gorivu dopušten je maseni udio pepela od 0,01% do 0,05%, a u brodskom teškom gorivu maseni udio pepela od 0,1% do 0,2%. U brodskom teškom gorivu dopušten je udio vanadija od 150 do 600 ppm, dok je u brodskomu dizelskom gorivu dopušteni udio vanadija do 100 ppm.

22. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Primjeri oštećenja dosjednih površina ispušnih ventila dizelskih motora zbog visokotemperaturne korozije

23. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Primjeri oštećenja dosjednih površina ispušnih ventila dizelskih motora zbog visokotemperaturne korozije

24. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Sadržaj vode- voda snižava ogrjevnu vrijednost goriva i otežava filtriranje. U brodskomu teškom gorivu dopušten je volumni udio vode od 0,5% do 1%, a u brodskomu dizelskom gorivu volumni udio vode do najviše 0,2% . TAN (Total Acid Number)- predstavlja količinu svih kiselina u 1 gramu goriva mjereno u mg. TBN (Total Base Number)- predstavlja količinu svih lužina u 1 gramu goriva mjereno u mg.

25. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Primjeri izračuna donje ogrjevne vrijednosti za različita goriva

26. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA

27. 5. OSNOVNE ZNAČAJKE BRODSKIH GORIVA Promjena donje ogrjevne vrijednosti u ovisnosti o °API gradacije goriva