brandstoffen slide 1.

Brandstoffen

-meestal vloeibare uit ruwe aardolie-deel gasvormige (LPG, aardgas, …)-klein deel alternatieve (methanol, …)

1. Vloeibare brandstoffen

1.1. Samenstelling en bereidingraffinaderij :

1ste trap : atmosfer. distilatiestraight runs

: vacuum distillatie

2de trap : cracking zware resten- katalytisch kraken- thermisch kraken

● visbreaking● coking

+ reforming

residu: ca. 15% : Residuele brandstof bevat hogeconcentraties schadelijke producten (bv S = 5%)

Samenstelling:mengsel koolwaterstoffen met zeer verschillendestructuren en verschillende moleculaire gewichten.Afhankelijk van de ruwe aardolie (land van herkomst),raffinageschema en mengingen.

brandstoffen slide 2.

1. 2. Producten van het raffinageproces

- gas : propaan (lassen, snijbranden)butaan (huishoudelijk gebruik)LPG (mengsel propaan en butaan)

- basisproducten voor petrochemie : (naphta, …)- benzine (is een mengsel met ca 200 ≠ KWS)- oplosmiddelen : (white spirit)- kerosine : voor gasturbines en straalmotoren- lamppetroleum- gasoil (of mazout)- smeeroliën : zware distillaten en residu’s uit straight run

torens → naar speciale smeerolieraffinaderij- paraffinen : (kaarsvet, …)- diesel fuels : (zware) brandstoffen voor grote diesels- stookoliën : ( ″ ) ″ ″ ″ ketels- asfalt en teer : zwaarste residu’s (wegbedekking)

brandstoffen slide 3.

1.3. Karakteristieken vloeibare brandstoffen

a) Voertuigbenzinekooktraject : 30 °C → 200 °Cloodvrije benzine : zie tabel 1

- ρ ≈ 0,75 kg/l- RON = 90 - 95 - 98- Pb gehalte < 0.013 g/liter- samenstelling : mengsel- additieven : ijs, gom, deterg, …

Eigenschappen Eenheid BenzineDichtheid [kg/m3] 730 - 780Ontstekingsgrenzen in lucht [Vol-%] 1- 7.6Minimale ontstekingsenergie [mJ] 0.24Zelfontstekingtemperatuur [°C] > 350Laminaire vlamsnelheid bij λ =1 [m/s] 0.4 - 0.8Dichtheid van stoichiometrischmengsel ρG

[kg/m3] 1.42

Stoichiometrische luchtbehoefte LS [-] 14.7Onderste verbrandingswaarde HU [MJ/kg] 43.5

Tabel 1: Eigenschappen van benzine

brandstoffen slide 4.

b) Vliegtuigbenzinevoor kleine vliegtuigen met Otto-zuigermotorlater kookbegin : 45 °C

opstijgen : benzine warm, op 2 km hoogtepa ≈ 0.8 bar → gevaar voor dampbellen

vroeger kookeinde : 145 °Cvolledige verdamping op grote hoogte T <<

hoog octaangetal RON ≥ 100

c) Renbrandstofwaar toegestaan speciale mengselscomponenten met :

- hoge klopvastheid (RON >>)- hoge verdampingswarmte

dan T ↓ dus uit pV = mtRT → mt ↑- hoge verbrandingswarmte Hu in kJ/kg >>- kleine stoichiometrische verhouding Ls

Ls in kg lucht/kg brandstof

brandstoffen slide 5.

1.3. Karakteristieken vloeibare brandstoffen

d) Mazout (gasolie, gasoil)voor snellopende dieselmotorenkooktraject : 200 °C – 360 °Cdensiteit : 0,82 – 0,86 kg/lcetaangetal : 45 - 55zomer en wintermazout

(eventueel < 10% benzine bijvoegen)

e) Dieselfuelsbrandstoffen voor grote dieselmotorenbrandstoffen waarvan de samenstelling sterk varieertminimum eisen worden door verbruiker zelf gesteld

- distilaatbrandstof 150 RI sec- mengsel van distillaat en residu- tot praktisch zuiver residu 6000 RI sec

brandstoffen slide 6.

2. Gasvormige brandstoffen

Aardgas

bevat hoofdzakelijk methaan (CH4: 92 - 98 %)- stationaire motoren : waar groot debiet aardgas

aanwezig is- voertuigen

● in sterke ontwikkeling○ LNG : vloeibaar in flessen op -161 °C○ gasvorming geabsorbeerd op koolstof

● reeds in vele landen CNG gas op 200 bar(niet vloeibaar)

voordelen :- bestaand distributienet- minder pollutie (25% minder CO2, minder KWS, smog,

CO)- minder afhankelijk, politieke crisis- RON ≈ 130 (ε >>)- zeer laag zwavelgehalte, geen additieven, geenPAH’s,

geen rook

Problemen- compressiestation voorzien; tijd vulling- broeikaseffect (80 x meer dan CO2) lekken!- andere injectie systemen voor motor- reservoir 50 l slechts 150 km autonomie

→ 2 reservoirs (CNG + benzine)- nabehandeling uitlaatgassen noodzakelijk- moeilijker te ontsteken (groot slagvollume)

dual - fuel uitvoering

brandstoffen slide 7.

LPG : Liquefied Petrolium Gas

- propaan + butaan : in België 40/60 zomer 60/40 winter

- productie :● vrijkomend bij ontginning ruwe aardolie● afscheiding uit aardgas (aardgasveld)● gefractioneerde distillatie van aardolie

- in auto rond reservoir : 2 – 8 bar (tot 10 bar)druk volgens verzadigingslijn (afhankelijk van

temperatuur en samenstelling)- RON ≈ 103- geen S : minder corrosie- verdampt volledig bij pat, Tat kookpunt propaan = -42 °C

″ butaan = - 5 °C→ geen voorverwarming→ minder KWS in uitlaat

- tragere verbranding dan benzine→ V.O. ↑→ wandtemperaturen hoger (tot 30 °C)

- Hu ñ 46.000kJ/kg ; Ls = 15.5 kg lucht/kg LPGPe,LPG ≈ Pe,benz

Hu,benz ñ 42.000kJ/kg ; Ls,benz = 14.8

- zwaarder dan lucht (probleem gesloten ruimte)- densiteit (vloeibaar) 0.54 kg/l

brandstoffen slide 8.

3. Alternatieve brandstoffenonafhankelijk van import uit buitenland

waarom ? petroleum tekort over x jarenmilieuproblemen (CO2)

waarde alternatieve brandstof● productie● beschikbaarheid (infrastructuur)● opslag op voertuig● verbranding in motor● pollutie (ook bij aanmaak - CO2)

3. 1. Alcoholen- methanol [CH3OH]: hout- of brandalcohol

● belangrijke grondstof voor chemische industrie● productie door synthese van steenkool, petrol, aardgas

[ CO2 reageren met H2 met katalysator]● Hu ≈ 20.000 kJ/kg → reservoir x 2● Ls = 6,4 kg lucht/kg brandstof → Pe ≈ benzine● RON = 106 → ε = 11 ρ ≈ 0,75 kg/l● kooktemperatuur 65 °C (bij atm. druk)● zeer grote verdampingswarmte

→ koude startproblemen, zuiver CH3OH niet te starten bij -5 °C

(dus klein benzinereservoir om te starten)● corrosief voor sommige metalen (brandstofsysteem,

materialen aanpassen)● auto’s volledig op methanol (aut. aanpassing mengsel)

→ nieuwe productie-eenheden nodig → veel duurderdan benzine

→ dus men gebruikt als mengcomponent in benzine(15% en meer) (d.i. M15)

● laag cetaangetal dus niet geschikt voor diesel tenzij metadditieven (+ roestvrije leidingen; gloeiplug ontsteking)

brandstoffen slide 9.

● aldehyde uitstoot (onaangename geur)● formaldehyde uitstoot

sterke reactiviteit met ozongereglementeerd in de toekomstenkel te behandelen met katalysator (verdereontwikkeling nodig)

- Ethanol [C2H5OH] : drankalcohol

Productie : alcoholische gisting van suikers uit zetmeel vangranen, suikerriet, eucalyptus bladeren , …

● kooktemperatuur 78 °C● grote verdampingswarmte :

→ startproblemen cfr methanol● in Brazilië (suikerriet) 100.000 den auto’s op ethanol

In ’85: 95 % nieuwe voertuigen op ethanol● vernieuwde interesse als bio - ethanol● gemengd met benzine: flexibele brandstofwagens

alle mengsels tot 100 % ethanol● lage verbrandingswaarde beter als mengbrandstof

(E85) (hoog octaangetal, geen schadelijkebijcomponenten)

● in dieselmotoren: E95 + 5 % ontstekingstemperatuur-verlagende component (alkylalcohol) (Stockholm)

● materiaalproblemen: compatibiliteitchemisch agressief, corrosief t.o.v. al. legeringen

● minder smerende eigenschappen: hardere kleppen -klepzittingen

● energieteelt of energy farming: verwerkingsproces(CO2 uitstoot) pesticiden

brandstoffen slide 10.

3.3. Waterstof (1)

- kleinste chemisch element- meest voorkomend, in verbinding met andere chemische

elementen- energiedrager

- productie:● stoomreforming van methaan + shift reactie:

800 C,Ni4 2 2CH (g) H O(g) CO(g) 3H (g)

400 C,Fe / Cu2 2 2CO(g) H O(g) CO (g) H (g)

● elektrolyse van water:

2 2 22H O(l) 2H (g) O

● productie met vorming CO2 ?

sequestratie van CO2

elektriciteit op duurzame manier

brandstoffen slide 11.

3.3. Waterstof (2)

Eigenschappen Eenheid Waterstof BenzineDichtheid [kg/m3] 0.09 730 - 780Ontstekingsgrenzen in lucht [Vol-%] 4 - 76 1- 7.6Minimale ontstekingsenergie [mJ] 0.02 0.24Zelfontstekingtemperatuur [°C] 585 > 350Laminaire vlamsnelheid bij λ =1 [m/s] 2.0 0.4 - 0.8Dichtheid van stoichiometrisch mengsel ρG [kg/m3] 0.94 1.42Stoichiometrische luchtbehoefte LS [-] 34.3 14.7Onderste verbrandingswaarde HU [MJ/kg] 120 43.5

Tabel 2: Eigenschappen van waterstof vergeleken met deze van benzine

eigenschappen:- kleine dichtheid

bij = 1 1/3 volume verbrandingskamer is H2

- verbrandingswaarde / kg zeer groot

- energieinhoud mengsel 10 à 20 % kleiner bij ( = 1)

- breed ontstekingsgebied (tot $ 4)kwalitatieve regeling (geen gasklep)

- hoog octaangetal

- grote vlamvoortplantingssnelheid

brandstoffen slide 12.

3.3. Waterstof (3)

- backfire:

● ontsteking mengsel in inlaatsysteem voor IVC

● afhankelijk type motor en belasting sequentiële poortinjectie of directe injectie weglopende gloeiontsteking (fig 1)

● oorzaken:ruime ontstekingsgrenzen en lage ontstekingsenergie

bronnen van voldoende en intense thermische energie:bougies, uitlaatkleppen, hotspots + inductie

bv ontstekingskabels

Fig 1.

brandstoffen slide 13.

3.3. Waterstof (4)

- NOX: hoge uitstoot bij 1 reglementering !

- opslag:● onder hoge druk (350 bar, toekomst 700 bar)

● vloeibaar - 253 °C

●hydriden absorptie (FeTi)

- mengsels waterstof + aardgas (hythane) 15 à 20 % waterstof in mengsel

(geen speciale aanpassingen aan aardgasmotor)

brandstoffen slide 14.

3. 4. Biogas

- productie: door gisting onder anaërobe voorwaarden inwaterig milieu van organisch materiaal(bv mest, slijk van waterzuiveringstations, …)

- samenstelling: CH4 (50 tot 85%)CO2 (15 tot 50%)

+ organische componenten in kleineconcentraties (reukhinder)

- gebruikt bij stationaire vonkontstekingsmotoren

- Hu ≤ 25. MJ/Nm³ (arm gas)

- lucht + biogas = explosief mengsel (gevaar opslag)biogas - luchtverhouding: 1:5 tot 1:15

- één kg organisch materiaal 500 l biogas

- economisch (nog) niet lonendmaar milieu - hygiënisch maatschappelijk interessant

brandstoffen slide 15.

3. 5. Dieselbrandstof uit planten : biodiesel (1)

- productie : malen van koolzaad, maar ook sojabonen, maïs,palmnoten, olijven, zonnebloem, …

● meel met stoom verwarmen, samenpersen en olie latenafvloeien door spleten

● extractie van de olie uit het meel met benzine→ olie filteren, ontgommen; hun methyl en ethyl esters

vormen goede dieselbrandstofvb zonnebloem : ρ = 0.9

Hu = 37.000 kJ/kgcetaangetal 60distillatie traject 339 °C – 419 °C

● oliën op zich (gefilterd, ontgomd): ppoNiet zeer geschikt voor motorbrandstof (hoge

viscositeit, laag cetaangetal) koude start problemen, koolstofafzettingen,

harde werking, sleet en aantasting smeerolie

● trans-esterification reactie:

R = CH3 of C2H5 R1 - R2 - R3 tot CH3 - (CH2)15 -

verestering met methanol, ethanol, … lage prijs, goede beschikbaarheid

brandstoffen slide 16.

3. 5. Dieselbrandstof uit planten : biodiesel (2)

● biodiesel: ester met twee zuurstofatomen/ molecule oxygenate

● zuivere brandstof of gemengd:goede eigenschappen: cetaangetal, vlampunt,

laag zwavelgehalte

● biodieselgewassen recycleren koolstof van de verbranding:dus hernieuwbaar en recycleerbaar

(CO2 cyclus gesloten)

● nabije toekomst: mengbrandstof bij klassieke diesel5,75 % tegen 2010

3.6. Generatorgas

- productie : verbranden onder luchttekort van hout, kolen,cokes producten onvolledige verbranding CO (+H2+CH4)

- kleine generatoren op auto’s tijdens W.O II(motor met vonkontsteking)

- recenter diesel camions met mazout pilootinjectie● CO heeft laag cetaangetal (slechte ontsteking)● piloot mazout veroorzaakt ontsteking● hoeveelheid mazout regelbaar om ct vermogen bij

onregelmatige gasproductie● pollutieproblemen!

brandstoffen slide 17.

4. Criteria tot het beoordelen van brandstoffen

4.1 Benzinemotoren- vluchtigheid :

● distillatietest● proefondervindelijke EAD krommen

(equilibrium air distillation)● ASTM – distillatiekromme voor benzine

Belangrijke punten op de kromme :○ laag 10 % punt (< 50 °C) → starten koude motor○ laag 90 % punt (< 180 °C) → minder condensatie

(smeerolieverdunningafwassen olie)

→ volledige verdamping

- dampdruk :● brandstof moet voldoende vluchtig zijn i.v.m. starten● eerste aanduiding 10 % pt < 50 °C is onvoldoende

benzine met samenstelling die dedistillatiecurve links geeft, heeft teweinig vluchtige componenten om goedekoude start te verzekeren

● daarom ook totale dampdruk in REID – toestel0,7 bar > ptot,zom > 0,45 bar bij 100 °F (38 °C)0,9 bar > ptot,wint > 0,6 bar ″ ″ ″

● dampdruk moet voldoende zijn maar niet te hooganders VAPOR LOCK

brandstoffen slide 18.

- verdampingswarmte :verdampingswarmte >>

dan temperatuur van verse lading in cilinder ↓

uit pV = mtRT met T ↓ de aangezogen massa mt ↑

mb.Hu ↑ → Pe ↑

voor lucht-benzine mengsel ± 20 °C temperatuur daling(als warmte uit het mengsel getrokken wordt )

voor ether is dit ± 80 °C● te grote verdampingswarmte veroorzaakt bevriezen van

water (vocht) uit de lucht ± IJSVORMING● voor benzinemotoren gevaar 2 °C < tatm < 8 °C en

φ > 65%→ opwarming en additieven in brandstof

- zelfontstekingtemperatuur :bij 1013 mbar : Ti benzine : 480 à 550 °C

Ti mazout : 330 a 350 °CTi mazout laag : OK wegens werkingsprincipe dieselTi benzine hoog : OK om geen kloppende verbranding

- vlamvoortplantingsgrenzen : lucht-benzine mengselontsteking met UITWENDIGE bronvoor een lucht-benzinemengsel (dampmengsel) bij 1013mbar en 293 K is dit 1% < < 7% volume benzinedamp

invloed T : de grenzen liggen bredernaarmate T ↑

brandstoffen slide 19.

4.2. Brandstoffen dieselmotoren

vluchtigheid en viscositeit- zeer vluchtige brandstoffen niet gebruikt

● het dieselprincipe eist geen grote vluchtigheid● vluchtige brandstoffen hebben minder goede

zelfontstekingskwaliteiten dan mazout● vluchtige brandstoffen geven problemen in

injectiepompen niet zelfsmerend

- vluchtigheid en viscositeit gaan samen● lage viscositeit en hoge vluchtigheid

→ gemakkelijk uiteenvallen v.d. straalinteressant voor snellopende diesels

→ eis voor mazout 90% dist. < 360 °C0,18x 10-5 < < 1x 10-5 m²/s bij 20 °C

- bepalen viscositeit (voor mazout en lichte distillaatdieselbrandstoffen) (fig 7)

- bepalen viscositeit :eenheden : MKSA : Pa.s (dynam) – Poise

m²/s (kinem) – Stokes

praktisch :USA : SAYBOLT UNIVERSAL SECONDS

FUROL

GB : REDWOOD I en (II) SECONDS

D : ENGLER graad (fig 8)tegenwoordig alleen nog Redwood I bij 100 °F

cSt bij 50 °C (fig 9)

brandstoffen slide 20.

Andere criteria voor mazout

- temperatuur limiet voor filtratie- cetaangetal- detergentie eigenschappen (i.v.m. afzet op injectoren)- anti-schuimvorming eigenschappen

(problemen met verpompen)- anti-corrosie

Criteria voor zware brandstoffen

- geen distillatiekromme mogelijk wegens kraken- viscositeit :

i.v.m. - verpompbaarheid (4500 RI sec)- injecteerbaarheid (75 RI sec)

- vlampunt : i.v.m. veiligheid- stolpunt : verwarming van opslagruimtes- asgehalte : afzettingen en sleet- Conradson Carbon Residue Value : cokes, roetvorming- vanadium : hoge temperatuurcorrosie- zwavel : lage temperatuurcorrosie- vaste partikels : sleet

brandstoffen slide 21.

Alifatische1. Verzadigde

- normale paraffinen : (verzadigde gestrekte ketens)bv. normaal heptaan : CnH2n+2

- iso – paraffinen : (verzadigde met vertakte ketens)bv. iso - octaan ; ook 2,2,4 trimethylpentaan

2. Onverzadigde- olefinen : kettingstructuur maar onverzadigd

CnH2n C6H12

ofCnH2n-2 C4H6

brandstoffen slide 22.

Cyclische1. Naphtenen : (cyclo –paraffinen) (verzadigd)

bv. Cyclo-propaanC3H6

(cyclo olefinen zijnonverzadigd)

2. Aromaten :- op basis van benzeenstructuur- onverzadigd ??

benzeen ook tolueenC6H6

3. Polycyclische : n >> 6bv. Asfaltenen zijn zware (bv. 30 x benzeenstructuur)polyaromatische KWS met veel zijvertakkingen en hoogmoleculair gewicht alifatische