1. Podstawy teoretyczne

Spalania paliw ciekłych jest procesem, który możemy podzielić na dwie fazy. Pierwszą z nich jest odparowanie. Bardzo ważna jest prędkość z jaką do niego dochodzi. W tym celu, paliwo przed podpaleniem rozpyla się. Rozpylenie ma duży wpływ na jakość i efektywność całego procesu spalania ponieważ od niego zależy to, czy paliwo wypali się w całości, czy zostaną tzw. pozostałości koksowe. Rozpylenie polega na rozerwaniu napięcia powierzchniowego cieczy przez siły zewnętrzne bądź wewnętrzne. Służą do tego rozpylacze. Rozróżniamy kilka ich typów, m.in. rozpylacze wirowe, które do rozdrobnienia wykorzystują energię samej cieczy, rozpylacze pneumatyczne, które wykorzystują energię gazu, czy rozpylacze rotacyjne, które korzystają z energii mechanicznej. Po odparowaniu następuje druga faza – spalanie par. Cały proces jest bardziej skomplikowany jeżeli mamy do czynienia z ciężkimi olejami, np. mazutem. Po pierwsze, wymagają one, ze względu na swoja lepkość, bardziej skomplikowanych palników. Przykładem może być lancowy palnik rozpałkowy który jest wyposażony w rozpylacz typu pneumatycznego lub ciśnieniowego oraz system podgrzewania mazutu, który ułatwia jego rozpylenie. Używany jest do podgrzewania kotłów parowych.

Jedynym naturalnym paliwem ciekłym jest ropa naftowa, jednakże, jej pochodzenie nie zostało jak dotąd całkowicie poznane. Jest to mieszanina ponad 3000 węglowodorów. W celu jej scharakteryzowania stosuje się różne rodzaje analiz. Za pomocą trzech podstawowych możemy określić:
- skład frakcyjny – otrzymujemy poprzez destylację, czyli powolne ogrzewanie w celu oddzielenia frakcji o różnych temperaturach wrzenia. Tą metodą możemy uzyskać: lekką i ciężką benzynę, naftę, olej napędowy, lekki i ciężki destylat próżniowy.
- skład chemiczny – czyli udział poszczególnych składników węglowodorowych
- skład elementarny – który określa zawartość pięciu podstawowych pierwiastków ( węgla, wodoru, siarki, azotu i tlenu)
Podstawowe produkty przeróbki ropy naftowej to: gaz płynny, paliwa silnikowe, oleje opalowe oraz asfalty drogowe i przemysłowe. Otrzymuje się je poprzez poddanie ropy procesom przeróbki, m. In. wspomnianej wcześniej destylacji, a także: krakingowi katalitycznemu (czyli rozkładowi ciężkich frakcji na lekkie pod działaniem katalizatora), reformingowi katalitycznemu (przetworzeniu benzyny niskooktanowej w wysokooktanową), pirolizie (rozkładowi ciężkich frakcji w obecności pary wodnej), czy hydrorafinacji (czyli poprawieniu jakości frakcji benzynowych, naftowych i olejowych poprzez uwodnienie węglowodorów). Paliwa ciekłe otrzymywane z ropy naftowej to benzyna, nafta oraz oleje: napędowy i opałowy.

Wśród sztucznych paliw ciekłych możemy wyróżnić:
- olej opałowy otrzymywany w procesie destylacji smoły. Znalazł on zastosowanie np. do opalania pieców przemysłowych
- alkohole – głownie metanol i etanol. Uważane są za alternatywne paliwo silnikowe przez wzgląd niższą emisję NOx oraz HC.
- oleje roślinne – głównie rzepakowy, słonecznikowy, sojowy i palmowy. Ich zastosowanie jest podobne jak w przypadku alkoholi.

W trakcie wykonywania ćwiczenia obserwowaliśmy spalanie oleju opałowego. Badaliśmy poziom emisji zanieczyszczeń: tlenku węgla (czadu), tlenku azotu oraz sadzy. Ponadto, mierzyliśmy temperaturę płomienia oraz spalin. Korzystając z danych pomiarowych wyliczyliśmy współczynnik nadmiaru powietrza, następnie wykreśliliśmy zależności temperatur płomienia i spalin, zawartości CO i NO oraz ilości sadzi od tego współczynnika. Poziom ilości sadzy badaliśmy metodą Bacharacha która polegała na pompowaniu spalin z komory. Te osadzały się na bibułce której stopień zaciemnienia porównywaliśmy ze wzorem na dziesięciostopniowej skali. Pomiary zawartości NO i CO przeliczaliśmy na wartości które otrzymalibyśmy, gdyby w spalinach znajdowała się stała ilość (3%) tlenu. Zapobiega to błędom pomiarowym spowodowanym rozrzedzaniem się spalin.

2. Schemat układu pomiarowego

3. Wykaz przyrządów pomiarowych

- analizator spalin
- przyrząd do pomiaru ilości sadzy metodą Bacharacha
- termopara do pomiaru temperatury płomienia i spalin

4. Tabela pomiarowa i wynikowa

Lp.	temperatura	Skład spalin	Ilość sadzy	λ	CO ^3%	NO^3%
	tp	ts	O2	CO	NO	S
-	̊ C	%	ppm	̊ B	-	ppm
1	1100	427	4,92	8	75	0
2	1130	453	4,48	11	79	0
3	1142	460	3,58	15	82	0
4	1153	468	3,46	11	84	0
5	1204	471	2,62	18	84	0
6	1225	477	2,03	22	83	1
7	1232	478	1,86	22	81	1
8	1238	472	0,48	563	60	7
9	1236	476	0,42	359	63	7
10	1146	461	0,35	5453	22	9
11	1121	448	0,18	8463	9	9
12	1122	442	0,08	13154	8	9

5. Przykłady obliczeń (dla pierwszego pomiaru)

$$\lambda = \frac{21\%}{21\% - O_{2}} = \frac{21}{21 - 4,92} = 1,31$$

$$\text{CO}^{3\%} = CO \bullet \frac{21\% - 3\%}{21\% - O_{2}} = 8 \bullet \frac{17}{21 - 4,92} = 8,96 \approx 9\ ppm$$

$$\text{NO}^{3\%} = NO \bullet \frac{21\% - 3\%}{21\% - O_{2}} = 75 \bullet \frac{17}{21 - 4,92} = 83,96 \approx 84\ ppm$$

6. Wykresy

7. Wnioski

Podczas wykonywania pomiarów zaobserwowano następujące zależności:

• Wraz ze wzrostem współczynnika nadmiaru powietrza malała ilość sadzy. Mechanizm powstawiania sadzy jest skomplikowany. Czynniki wpływające na jej ilość w spalinach to m. in. rodzaj płomienia, rodzaj paliwa i stosunek C/O w mieszance palnej. Ten ostatni ma związek z obliczonym w czasie doświadczenia współczynnikiem nadmiaru powietrza. Wraz ze zwiększaniem jego wartości maleje stosunek C/O a co za tym idzie – maleje ilość sadzy.

• Jednocześnie malał udział tlenku węgla w spalinach. CO jest produktem pośrednim w spalaniu paliw węglowych do CO₂ i H₂O. Jeżeli w mieszance palnej występuje zbyt mała ilość tlenu spalanie nie może przebiec całkowicie a co za tym idzie – udział CO w spalinach jest duży. Zwiększając współczynnik nadmiaru powietrza (dostarczając odpowiednią ilość tlenu) redukujemy udział tlenku węgla.

• W przeciwieństwie do dwóch powyższych zanieczyszczeń, udział tlenku azotu w spalinach zwiększał się. Wpływ na to miały różne mechanizmy jego powstawania

- synteza termiczna NO – opisuje ją tzw. mechanizm Zeldowicza. Zakłada on, że w trakcie spalania, dzięki trwałym, wysokoenergetycznym cząstkom, rozerwaniu ulega wiązanie między atomami tlenu:

O₂ + M <-> O + O + M

Pojedynczy atom tlenu może następnie reagować z N₂

O + N₂ -> NO + N

A powstały w tej reakcji atom N może z kolei reagować z cząsteczką tlenu:

N + O₂ -> NO + O

Zarówno O2 jak i N₂ zawarte są w powietrzu, także zwiększając jego ilość (a tym samym zwiększając wartość λ) zwiększamy ilość substratów, a co za tym idzie – również produktów, jakim w obydwu przypadkach jest NO.
Reakcje te wymagają wysokiej temperatury. W około 1800 K powstawanie termicznego NO odgrywa rolę wiodącą. W naszym przypadku, temperatura płomienia wynosiła 1300-1500 K tak wiec na udział NO w spalinach miał również wpływ inny proces.

- powstawanie „szybkiego” NO. Olej opalowy jaki spalaliśmy w czasie doświadczenia składa się z węglowodorów. W czasie ich spalania powstają wolne rodniki CH i C₂. W strefie reakcji płomienia są one bardzo wzbudzone. Dzięki temu są w stanie rozerwać wiązanie między atomami N2 np. w reakcji

CH + N₂ -> HCN + N

Zarówno HCN może się utleniać do NO w reakcjach z udziałem rodników H, OH i O. Natomiast N utlenia się w reakcji opisanej w mechanizmie Zeldowicza. Dlatego istotny wpływ na ilość NO ma zawartość tlenu w mieszance paliwowej.