خواص دیزل: گازوئیل یکی از فرآورده های نسبتا سنگین نفت خام است و پس از نفت سفید در برج تقطیر به دست می آید. گازوئیل یکی از قطعی هایی است که هم در برج تقطیر جوی و هم در برج تقطیر وکیوم رخ می دهد. علاوه بر این، بسیاری از واحدهای پالایشگاهی مانند کراکینگ، هیدروکراکینگ و کک سازی با تغییر ساختار برش های نفت سنگین، علاوه بر بنزین، گازوئیل نیز تولید می کنند.
گازوئیل مایعی بی رنگ است و برای شناسایی و تشخیص آن از سایر مایعات و محصولات، رنگ آن را به قهوه ای تغییر می دهند. گازوئیل مخلوطی از هیدروکربن های مختلف با 14 تا 20 (حتی تا 25) اتم کربن در ساختار مولکولی آنها است. مهمترین حوزه استفاده از گازوئیل به عنوان سوخت در موتورهای دیزلی، به عنوان سوخت در تاسیسات حرارتی و برخی کارخانه ها می باشد.
نسبت تراکم موتورهای دیزلی بسیار بالاتر از موتورهای بنزینی است. بنابراین، قدرت بیشتری را می توان از یک موتور دیزل به دست آورد و گاهی اوقات از این موتورها برای خودروهای سنگین حامل مخازن سوخت استفاده می شود.
ویژگی های دیزل
با توجه به کاربرد آنها در موتورهای دیزل و نفت خام اولیه مشتق شده از آنها، آنها دارای تعدادی ویژگی سوخت دیزل هستند که در زیر به آنها اشاره شده است.
1. چگالی (تراکم دیزل)
گازوئیل وزن نسبتاً بالاتری نسبت به سایر سوخت های معمولی دارد و چگالی گازوئیل تقریباً بین 0.8 کیلوگرم در لیتر تا 0.87 کیلوگرم در لیتر است. هر چه مقدار روغن و هیدروکربن های معطر در گازوئیل بیشتر باشد، چگالی گازوئیل بیشتر می شود.
2. تقطیر
اولین نقطه تقطیر گازوئیل در دمای 180 درجه سانتیگراد و نقطه پایان تقطیر در حدود 370 درجه سانتیگراد است، همانطور که از مشخصات دیزل مشخص است. درصد تقطیر گازوئیل در دماهای مختلف طبق استاندارد ASTM به شرح زیر است:
کمتر از 65% در 250 درجه سانتیگراد
بیش از 85 درصد در دمای 350 درجه سانتیگراد
بیش از 95٪ در 370 درجه سانتیگراد
3. ویسکوزیته
گازوئیل دارای ویسکوزیته نسبتاً بالا و خاصیت ویسکوزیته است که یکی از عوامل مهم در خواص گازوئیل می باشد. اگر ویسکوزیته دیزل بیش از حد بالا باشد، جریان گازوئیل در خطوط تزریق سوخت، پمپ ها و انژکتور و در تمام تجهیزات پمپ بنزین در معرض افت فشار قرار می گیرد. سپس انتقال و کارکرد سوخت با مشکل مواجه خواهد شد. با نگاهی به مشخصات دیزل می توان دریافت که در صورت پایین بودن ویسکوزیته گازوئیل، کیفیت سوخت کاهش می یابد و عملکرد خوبی در موتور دیزل نخواهد داشت. مقدار مجاز ویسکوزیته استاندارد دیزل باید بین 12 تا 40 سانتی متر باشد.
4. نقطه سقوط و نقطه ابر
نقطه ابری دمای اولیه ای است که در آن بلورهای جامد هنگام سرد شدن مایع تشکیل می شوند. علاوه بر این، اولین دمایی که در آن حرکت در سیال پس از انجماد و هنگام گرم شدن رخ می دهد، نقطه ریزش نامیده می شود. گازوئیل و به طور کلی یک سوخت مناسب باید در برابر سرما بسیار مقاوم بوده و سیالیت خود را در دماهای پایین حفظ کند و نباید متبلور شود.
محدوده مناسب برای نقاط ابری و ریزش در گازوئیل به ترتیب 0 تا 10- و 15- تا 30- است. هر چه روغن و آروماتیک بیشتر در دیزل باشد، نقطه ریزش و نقطه ابر بهتر است.
5. میزان گوگرد در گازوئیل
وجود گوگرد و ترکیبات گوگردی در گازوئیل باعث بروز مشکلاتی مانند خوردگی و آلودگی هوا در بدنه موتور دیزل می شود. طبق استانداردهای بین المللی، میزان مجاز گوگرد در گازوئیل کمتر از 50 ppm است و گازوئیل باید در پالایشگاه به طور کامل تصفیه شود تا ترکیبات گوگردی کاهش یابد.
6. عدد استن و نقطه آنیلین
عدد سیتان معیاری برای سنجش کیفیت گازوئیل و سوخت دیزل است. هر چه عدد ستان بیشتر باشد، احتراق سریعتر در سیلندر و کیفیت دیزل بالاتر است.
نقطه آنیلین پایین ترین دمایی است که در آن حجم مساوی سوخت و آنیلین تک فاز می شود. نقطه آنیلین بالا در گازوئیل به معنای شاخص دیزل بالاتر و کیفیت سوخت بهتر است.
برای تعیین نقطه آنیلین، حجم معینی از یک فرآورده نفتی مانند گازوئیل را در ظرفی می ریزند. به مقدار مساوی ماده ای به نام آنیلین اضافه می شود. سپس دمای مخلوط را بالا ببرید و با همزن مخلوط کنید. دمایی که در آن دو ماده به محلول همگن تبدیل می شوند، نقطه آنیلین سوخت در نظر گرفته می شود.
احتراق دیزل در موتورهای دیزلی
فرآیند کار یک موتور دیزلی با موتورهای بنزینی کاملاً متفاوت است. در موتور دیزل فاصله ای به نام زمان تاخیر احتراق بین پاشش سوخت و احتراق وجود دارد، بر خلاف موتور بنزینی که در آن سوخت به سیلندر تزریق می شود و احتراق همزمان انجام می شود. زمان تاخیر بستگی به نوع سوخت، طراحی موتور و شرایط احتراق دارد.
در موتور دیزل، هوای تازه در مرحله اول به داخل کشیده می شود. در مرحله دوم، هوا فشرده شده و دما تا تزریق سوخت به سیلندر بالا می رود. پس از رسیدن سوخت به شرایط احتراق، بدون احتراق شمع، خود به خود در اثر فشار و دمای بالا می سوزد و در مرحله سوم سیلندر منبسط می شود. در نهایت در مرحله چهارم گازهای احتراق از طریق اگزوز از محفظه خارج می شوند.
با توجه به موارد فوق، ساختار شیمیایی گازوئیل به عنوان سوخت موتور دیزل و شرایط موتور دیزل باید به گونه ای باشد که احتراق خود به خود در محفظه احتراق را تسهیل کند.
مفهوم اعداد خوشه ای و روش های تعیین
روش تعیین عدد ستان گازوئیل تقریباً مشابه عدد اکتان بنزین است. این کار در یک موتور آزمایشگاهی تک سیلندر CFR برای احتراق سوخت دیزل انجام می شود. عدد ستان یک سوخت عمدتاً به نوع هیدروکربن های تشکیل دهنده آن بستگی دارد و هیدروکربن هایی با عدد ستان بالا دارای عدد اکتان پایینی هستند.
عدد ستان در واقع معیاری برای سنجش کیفیت سوخت دیزل است و هر چه عدد ستان بیشتر باشد، احتراق خود به خودی سوخت در محفظه بیشتر است، زمان تاخیر احتراق کمتر و سوخت سریعتر می سوزد.
اگر عدد ستان کم باشد، به خصوص در فصول سرد، راه اندازی خودرو مشکل خواهد بود. همچنین به دلیل تاخیر زیاد، سوخت در محفظه احتراق جمع می شود و در نهایت مقدار زیادی سوخت با انرژی زیاد مشتعل شده و باعث ایجاد ضربه و ترک در موتور دیزل و قطع آن می شود.
هنگام آزمایش ترکیبات مختلف در یک موتور CFR، مقدار ستان خالص (C16H34) 100 cpm و محتوای آلفا متیل نفتالین 0 cpm بود تا کیفیت احتراق سوخت ها به روش معمولی مقایسه شود. نرمال استن به دلیل زمان تاخیر کوتاه کیفیت احتراق خوبی دارد و آلفا متیل نفتالین دارای تاخیر طولانی و احتراق بسیار ضعیف در موتور دیزلی است.
طبق تعریف، عدد ستان یک نمونه سوخت دیزل، درصد حجمی ستان معمولی در مخلوطی با آلفا متیل نفتالین است، اگر کیفیت احتراق آن مخلوط هنگام آزمایش با روش استاندارد یکسان باشد. کیفیت احتراق تعداد استاندارد سوخت های دیزل معمولی معمولاً بین 45 تا 55 است.
از آنجایی که مهندسی CFR گاهی وقت گیر و دشوار است، برخی از شرکت ها از روش های دیگری برای تعیین عدد ستان سوخت با استفاده از نقطه آنیلین و عدد دیزل استفاده می کنند.
شماره جایگاه سوخت با قرار دادن درجه گازوئیل بر روی نمودار مربوطه یا فرمول زیر تعیین می شود.
عدد ستان = 0.72 I.D. +10
همچنین یک فرمول تقریبی مانند شکل زیر وجود دارد که عدد ستان را مستقیماً بر حسب نقطه آنیلین بیان می کند. در این فرمول نقطه آنیلین بر حسب درجه سانتیگراد است.
عدد ستان = نقطه آنیلین - 15.5
افزایش تعداد غرفه ها
بهبود تعداد پیل سوختی دیزل معمولاً با تعدادی افزودنی حاصل می شود که به احتراق خود به خود در موتور کمک می کند. به این تقویت کننده های عدد ستان، Pro-Cetane می گویند. پروستات اکسیدان های ناپایداری هستند که برای تولید رادیکال های آزاد تجزیه می شوند و فرآیند احتراق خود به خود در موتور دیزل را تسهیل می کنند.
دو گروه از ترکیبات آلی به نام‌های پراکسید (R-O-O-Rˊ) و نیترات‌ها برای افزایش تعداد ستان شناخته شده‌اند. نیترات هایی مانند اتیل هگزیل نیترات به دلیل هزینه کم، در دسترس بودن و سهولت استفاده، به طور گسترده ای به عنوان بزرگ کننده پروستات استفاده می شوند.
به طور کلی، هر چه ساختار زنجیره ای گروه هیدروکربنی کمتر باشد، عدد ستان بیشتر است. ترکیبات معطر و حلقوی دارای اعداد ستان بسیار کم هستند که باید از گازوئیل حذف شوند. نمودار زیر تغییر تعداد ستان ترکیبات مختلف هیدروکربنی را با افزایش تعداد اتم‌های کربن نشان می‌دهد. همانطور که از نمودار مشخص است، گروه پارافین معمولی دارای بیشترین تعداد کتون در مقایسه با سایر گروه های هیدروکربنی است.
استانداردهای آلودگی گازوئیل
موتورهای دیزلی معمولاً در وسایل نقلیه سنگین مانند اتوبوس و کامیون استفاده می شوند. به دلیل مصرف سوخت زیاد در موتور، تمایل به تولید دود زیادی دارند. وجود برخی ترکیبات خاص مانند گوگرد، مونوکسید کربن، اکسید نیتروژن و ... در سوخت گازوئیل باعث آلودگی هوا و خطرات زیادی برای سلامت انسان و محیط زیست می شود.
در سال های اخیر اتحادیه اروپا قوانین و محدودیت هایی را برای میزان آلاینده های گازوئیل مانند بنزین وضع کرده است. اولین قانون با عنوان یورو 1 در سال 1993 و آخرین قانون با عنوان یورو 6 در سال 2015 تصویب شد که در مشخصات فنی دیزل مشاهده می شود.
جدول زیر میزان آلاینده های مجاز در گازوئیل را برای خودروهای دیزلی سنگین نشان می دهد. در این جدول که استانداردهای یورو 1 تا یورو 6 مشخص شده است، میزان آلاینده ها بر حسب گرم (kg/KWh) به ازای هر کیلووات ساعت انرژی تولید شده توسط موتور خودرو بیان شده است.
CO = مونوکسید کربن
HC = هیدروکربن
NOx = گروهی از اکسیدهای نیتروژن
NH3 = آمونیاک
PM = ذرات جامد ریز
راه حل
گازوئیل به عنوان سوخت مورد استفاده در موتورهای دیزلی یکی از مهم ترین فرآورده های نفتی است. گازوئیل نه تنها به عنوان سوخت خودرو، بلکه به عنوان سوخت برای برخی تجهیزات گرمایشی، نیروگاه ها، کوره ها و کارخانه ها نیز استفاده می شود.
از مشخصات دیزل می توان دریافت که دیزل با کیفیت باید دارای عدد ستان بالا و مطابق با آخرین استانداردهای آلایندگی اروپا باشد. دود ناشی از حضور آلاینده ها در گازوئیل به محیط زیست سرایت می کند و سلامت انسان و محیط زیست را به خطر می اندازد.
جایگاه های توزیع گازوئیل تجهیزات مخصوص به خود را دارند که گاهی با پمپ بنزین متفاوت است. همچنین محل استقرار جایگاه های گازوئیل باید در حاشیه شهر و مناطقی که وسایل نقلیه سنگین به راحتی تردد کنند انتخاب شود.
از آنجایی که گازوئیل محصولی با چگالی و ویسکوزیته نسبتاً بالا است، باید تمهیدات خاصی در مراحل انتقال، توزیع و بهره برداری اندیشیده شود تا اطمینان حاصل شود که سوخت مصرفی از کیفیت مطلوبی برخوردار است و فرآیندهای انتقال و توزیع به خوبی انجام می شود.