مشخصات گازوئیل و استانداردهای آلایندگی

گازوئیل (Gas oil) یکی از فراورده های نسبتاً سنگین نفت خام بوده و پس از نفت سفید در برج تقطیر به دست می‌­آید. گازوئیل از جمله برش هایی است که هم در برج تقطیر اتمسفری و هم برج تقطیر خلأ تولید می­‌شود. همچنین بسیاری از واحدهای پالایشگاه مانند واحد کراکینگ و هیدروکراکینگ و ککینگ با تغییر در ساختار برش های سنگین نفتی، علاوه بر بنزین گازوئیل هم تولید می­‌کنند.

گازوئیل مایعی بی رنگ است و به منظور شناخت آن و تشخیص از مایعات و فراورده های دیگر رنگ آن­را تغییر می‌­دهند و به رنگ متمایل به قهوه ای درمی‌­آورند. گازوئیل مخلوطی از هیدروکربن های مختلف است که در ساختار مولکولی شان بین 14 تا 20 (حتی تا 25) اتم کربن دارند. مهم ترین کاربرد گازوئیل به عنوان سوخت موتورهای دیزلی، تأسیسات حرارتی و سوخت برخی کارخانجات می­‌باشد.

نسبت تراکم موتورهای گازوئیلی بسیار بالاتر از موتورهای بنزینی می­‌باشد. از این رو می­‌توان توان بیشتری از یک موتور گازوئیلی دریافت کرد و این موتورها برای وسایل نقلیۀ سنگین استفاده می­‌شوند.

مشخصات گازوئیل

گازوئیل ها با توجه به کاربردی که در موتورهای دیزلی دارند و نفت خام اولیه ای که از آن به دست آمده اند، دارای یک سری مشخصات هستند که در ادامه به آن­ها اشاره می­‌گردد.

1. چگالی

گازوئیل دارای وزن نسبتاً بالاتری در مقایسه با دیگر سوخت های رایج است و چگالی آن تقریباً بین 0.8kg/lit  تا  0.87kg/lit می­‌باشد. هرچه مقدار هیدروکربن های نفتنی و آروماتیک در گازوئیل بیشتر باشد، چگالی آن بالاتر می‌­رود.

2. تقطیر

نقطۀ اولیه­ تقطیر گازوئیل در دمای 180˚ C و نقطۀ نهایی تقطیر آن در دمای حدود 370˚ C می­‌باشد. طبق استاندارد ASTM درصد تقطیر گازوئیل در دماهای مختلف به صورت زیر می­‌باشد:

• کمتر از 65% در دمای C 250˚
• بیشتر از 85% در دمای C 350˚
• بیشتر از 95% در دمای C 370˚

3. ویسکوزیته

گازوئیل دارای ویسکوزیته یا گرانروی نسبتاً بالایی بوده و خاصیت چسبناکی دارد. در صورتی که ویسکوزیتۀ گازوئیل بیش از حد بالا باشد، جریان گازوئیل درون لوله ها و پمپ ها و انژکتور پاشش سوخت دچار افت فشار میشود. آنگاه عملیات انتقال و بهره برداری از سوخت دچار مشکل خواهد شد. همچنین در صورتی که گازوئیل دارای ویسکوزیتۀ پایینی باشد، کیفیت سوخت پایین آمده و در موتور دیزلی عملکرد مناسبی نخواهد داشت. مقدار مجاز استاندارد ویسکوزیتۀ گازوئیل باید بین 12 تا 40 سانتی استوک باشد.

4. نقطۀ ریزش و نقطۀ ابری شدن

نقطۀ ابری شدن اولین دمایی است که هنگام سرد کردن سیال بلورهای جامد در آن ایجاد می­‌شود. همچنین پس از انجماد سیال و در زمان گرم کردن آن اولین دمایی که حرکتی در سیال ایجاد می‌­شود را نقطۀ ریزش می­‌گویند. گازوئیل و به طور کلی یک سوخت مناسب باید در برابر سرما مقاومت بالایی داشته باشد و در دماهای پایین خاصیت سیالیت خود را حفظ کند و متبلور نشود.

محدودۀ مناسب برای نقاط ابری شدن و ریزش در گازوئیل به ترتیب 0 تا C -10˚ و 15- تا C -30˚ می‌­باشد. هرچه مواد نفتنی و آروماتیکی درون گازوئیل بیشتر باشند نقطۀ ریزش و نقطۀ ابری شدن آن بهبود می‌­یابد.

5. میزان گوگرد موجود در گازوئیل

وجود گوگرد و ترکیبات گوگردی در گازوئیل سبب ایجاد مشکلاتی چون خوردگی روکش موتور دیزلی و آلودگی هوا می‌­شود. میزان مجاز گوگرد در گازوئیل طبق استانداردهای بین المللی کمتر از 50 ppm است و برای کاهش ترکیبات گوگردی باید گازوئیل به طور کامل در پالایشگاه تصفیه شود.

6. عدد ستان و نقطۀ آنیلین

عدد ستان (Cetane Number) معیاری برای تعیین کیفیت گازوئیل و سوخت های دیزلی می­‌باشد. هرچه عدد ستان بالاتر باشد، عمل احتراق درون سیلندر سریع تر انجام شده و گازوئیل دارای کیفیت بالاتری می­‌باشد.

نقطۀ آنیلین (Aniline Point) پایین ترین دمایی است که در آن حجم های مساوی از سوخت و ماده­ی آنیلین به صورت تک فازی در می­‌آیند. بالا بودن نقطۀ آنیلین در گازوئیل به معنای بالا بودن اندیس دیزل آن و کیفیت بهتر سوخت می‌­باشد.

برای تعیین نقطۀ آنیلین، یک حجم مشخص از یک فراورده نفتی مانند گازوئیل را داخل ظرف می­ریزند. به مقدار برابر با آن حجم، ماده ای به نام آنیلین را داخل ظرف میریزند. در ادامه، دمای مخلوط را بالا برده و به­ وسیله هم زن آن را به هم می­زنند. دمایی که در آن دما، دو ماده به صورت یک محلول همگن در می­‌آیند را به عنوان نقطۀ آنیلین سوخت در نظر می­‌گیرند.

احتراق گازوئیل در موتورهای دیزلی

روند کاری یک موتور دیزلی با موتور بنزینی کاملاً متفاوت است. در موتور دیزلی بر خلاف موتور بنزینی که احتراق به صورت همزمان با پاشش سوخت داخل سیلندر رخ می‌­دهد، بین پاشش سوخت و احتراق مقداری فاصله می­‌افتد که آن را دورۀ تأخیر احتراق می­‌نامند. دورۀ تأخیر به نوع سوخت، طرح موتور و شرایط احتراق بستگی دارد.

در یک موتور دیزلی طی مرحلۀ اول هوای خالص مکش می­‌شود. در طول مرحلۀ دوم هوا فشرده شده و دمای آن افزایش می­‌یابد تا اینکه سوخت به داخل سیلندر تزریق گردد. پس از رسیدن به شرایط احتراق سوخت به طور خود به خود و بدون جرقه زدن شمع، در اثر فشار و دمای بالا می­‌سوزد و در مرحلۀ سوم سیلندر منبسط می­‌شود. نهایتاً در مرحلۀ چهارم گازهای حاصل از احتراق از طریق اگزوز از محفظه خارج می­‌شوند.

با توجه به موارد ذکر شده، ساختار شیمیایی گازوئیل به عنوان سوخت موتور دیزلی و شرایط موتور دیزل باید به نحوی باشد که امکان احتراق خود به خود داخل محفظۀ احتراق را تسهیل کنند.

مفهوم عدد ستان و روش های تعیین آن

روش تعیین عدد ستان گازوئیل تقریباً مشابه با عدد اکتان بنزین می­باشد. این عمل در یک موتور تک سیلندر CFR آزمایشگاهی که مخصوص احتراق سوخت دیزل است انجام می­گردد. عدد ستان یک سوخت در درجۀ اول به نوع هیدروکربن های تشکیل دهندۀ آن بستگی دارد و هیدروکربن هایی که عدد ستان بالایی دارند عدد اکتان پایینی دارند.

عدد ستان در حقیقت معیاری برای تعیین کیفیت سوخت گازوئیلی می­باشد و هرچه عدد ستان بالاتر باشد، احتراق خود به خودی سوخت در محفظه بیشتر بوده و زمان تأخیر احتراق کمتر است و سوخت سریع تر می­سوزد.

در صورت پایین بودن عدد ستان، راه اندازی خودرو به خصوص در فصل های سرد مشکل می­شود. همچنین در اثر تأخیر زیاد، سوخت در محفظه احتراق تجمیع شده ونهایتاً مقدار زیادی سوخت با انرژی زیاد محترق می­شود که این امر سبب کوبش و تقه در موتور دیزلی شده و آن را دچار اختلال می­کند.

با آزمایش ترکیبات مختلف در موتور CFR ، برای مقایسۀ کیفیت احتراق سوخت ها به طور قراردادی ، به نرمال ستان خالص (C₁₆H₃₄) عدد ستان 100 و به آلفامتیل نفتالن عدد ستان 0 اختصاص داده شد. نرمال ستان به علت کوتاهی دورۀ تأخیر دارای کیفیت احتراق مناسبی بوده و آلفا متیل نفتالن دورۀ تأخیر طولانی داشته و احتراق بسیار نامناسبی در موتور دیزلی دارد.

بنابر تعریف، عدد ستان یک نمونۀ سوخت دیزل در حقیقت درصد حجمی نرمال ستان در مخلوط با آلفا متیل نفتالن است، در صورتی که کیفیت احتراق این مخلوط به هنگام آزمایش با روش استاندارد، مطابق کیفیت احتراق نمونۀ سوخت مورد نظر باشد. عدد ستان سوخت های دیزل رایج معمولاً بین 45 تا 55 می­باشد.

از آن­جایی که تعیین عدد ستان با موتور CFR بعضاً وقت گیر و مشکل است، برخی شرکت ها برای تعیین عدد ستان سوخت از روش های دیگری استفاده می­کنند و عدد ستان را با استفاده از نقطه آنیلین و اندیس دیزل، تعیین می­کنند.

فرمول زیر نشان دهندۀ اندیس دیزل (Diesel Index) بر حسب نقطه آنیلین و درجه API است:

با قرار دادن اندیس دیزل در نمودار مربوطه و یا در فرمول زیر، عدد ستان سوخت تعیین می‌­شود.

Cetane Number = 0.72 D.I +10

همچنین یک فرمول تقریبی به شکل زیر وجود دارد که عدد ستان را مستقیماً بر حسب نقطه آنیلین بیان می­‌کند. در این فرمول نقطه آنیلین بر حسب درجۀ سانتی گراد می‌­باشد.

Cetane Number = Aniline Point – 15.5

بهبود عدد ستان

بهبود عدد ستان سوخت های دیزلی معمولاً به وسیلۀ یک سری مواد افزودنی که به احتراق خود به خودی داخل موتور کمک می­‌کنند انجام می­‌شود. این مواد افزایندۀ عدد ستان اصطلاحاً پرو-ستان (Pro – Cetane) نامیده می­شوند. پروستان ها اکسیدکننده های ناپایداری هستند که در اثر تجزیه، رادیکال های آزاد تولید می­کنند و فرآیند احتراق خود به خود در داخل موتور دیزل را تسهیل می‌­کنند.

دو گروه از ترکیبات آلی به نام پراکسیدها (R – O – O – Rˊ) و نیتراتها از مواد معروف افزایندۀ عدد ستان هستند. با توجه به هزینۀ کمتر، در دسترس بودن و استفادۀ راحت تر معمولاً از نیترات‌هایی مانند اتیل هگزیل نیترات به عنوان پروستان بهبود دهندۀ عدد ستان استفاده می‌­شود.

به طور کلی هرچه ساختار گروه هیدروکربنی زنجیری و کم شاخه تر باشد عدد ستان بالایی دارد. ترکیبات آروماتیک و حلقوی دارای عدد ستان بسیار پایینی هستند که باید از گازوئیل حذف شوند. نمودار زیر تغییرات عدد ستان ترکیبات مختلف هیدروکربنی را با افزایش تعداد اتم کربن نشان می‌­دهد. همان طور که از نمودار مشاهده می­گردد گروه نرمال پارافین ها دارای بیشترین عدد ستان نسبت به دیگر گروه های هیدروکربنی هستند.

استانداردهای آلایندگی گازوئیل

موتورهای گازوئیلی معمولاً برای وسایل نقلیۀ سنگین مانند اتوبوس ها و کامیون ها استفاده شده. در اثر مصرف بالای سوخت در موتور معمولاً دود زیادی تولید می­‌کنند. وجود یک سری ترکیبات خاص مانند گوگرد، کربن مونواکسید، نیتروژن اکسید و… در گازوئیل باعث ایجاد آلودگی هوا و خطرات فراوان برای سلامتی انسان ها و محیط زیست می­‌شود.

اتحادیۀ اروپا در سال های گذشته قوانین و محدودیت هایی در مورد میزان ذرات آلاینده موجود در گازوئیل همانند بنزین وضع کرده است. اولین قانون وضع شده یورو 1 (Euro 1) در سال 1993 میلادی و جدیدترین آن یورو6 (Euro 6) در سال 2015 میلادی می­‌باشد.

جدول زیر میزان آلاینده های مجاز موجود در گازوئیل را برای خودروهای سنگین دیزلی، نشان می­‌دهد. در این جدول که  استانداردهای یورو1 تا یورو 6 در آن ذکر شده است، میزان آلاینده ها بر حسب گرم بر کیلو وات ساعت انرژی تولید شده توسط موتور خودرو (kg/KWh)  بیان گردیده است.

CO = کربن مونو اکسید

HC = hydrocarbon هیدروکربن

NO_x = گروه نیتروژن اکسیدها

NH₃ = آمونیاک

PM = ذرات ریز جامد

جمع بندی

گازوئیل به عنوان سوخت مورد استفاده در موتورهای دیزلی، یکی از مهم ترین فراورده های نفتی می‌­باشد. گازوئیل نه تنها به عنوان سوخت وسایل نقلیه استفاده شده بلکه به عنوان سوخت مورد مصرف بعضی تجهیزات حرارتی، نیروگاه ها، کوره ها و کارخانه‌جات کاربرد دارد.

گازوئیل با کیفیت باید دارای عدد ستان بالا بوده و از جدیدترین استانداردهای آلایندگی یورو برخوردار باشد. در صورت وجود مواد آلاینده در گازوئیل، دود حاصل در محیط پخش شده و سلامت انسان ها و محیط زیست به خطر می‌­افتد.

جایگاه های توزیع گازوئیل دارای تجهیزات مخصوص به خود هستند که بعضاً با جایگاه بنزین متفاوت اند. همچنین محل قرار گیری جایگاه های گازوئیل باید در حاشیۀ شهر و مناطقی که رفت و آمد خودروهای سنگین به آن­جا راحت است، انتخاب گردد.

از آنجایی که گازوئیل یک فراورده با چگالی و ویسکوزیتۀ نسبتاً بالایی است باید تمهیداتی ویژه در مراحل انتقال، توزیع و بهره برداری از آن اندیشیده شود تا سوخت مورد استفاده از کیفیت لازم برخوردار بوده و فرایند های انتقال و توزیع آن به خوبی انجام شوند.