UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI - … NICULESCU tot.pdf · universitatea politehnica bucuresti . facultatea energeticĂ. teza de doctorat . aspecte economice si tehnice pentru

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI

FACULTATEA ENERGETIC

TEZA DE DOCTORAT

ASPECTE ECONOMICE SI TEHNICE PENTRU VALORIFICAREA ENERGETIC DE PLANTE OLEAGINOASE

ECONOMIC AND TEHNICAL ASPECTS FOR THE ENERGETIC EXPLOITATION OF THE OIL-SEED PLANTS

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

DOCTORAND CONDUCATOR TINTIFIC

Bogdan Niculescu Prof. Dr. Ing. Gheorghe Lzroiu

2015


1 Autor:Bogdan Niculescu Conducator st. Prof. dr. ing. GHEORGHE LAZAROIU

CUPRINS................................................................................................................................................ 1 Cuvant inainte......................................................................................................................................... 2 INTODUCERE.................................................................................................................................. 3 Capitolul 1. STUDIUL ACTUAL AL PRODUCIEI DE ENERGIE DIN RESURSE REGENERABILE 1.1. Problemele energeticii mondiale ................................................................................................ 3 Capitolul 2. POTENIALUL ENERGETIC AL CULTURILOR DE OLEAGINOASE ........... 4 Capitolul 3 CARACTERISTICILE FIZICO CHIMICE I ENERGETICE ALE ULEIURILOR VEGETALE 3.1. Caracteristicile fizico chimice i energetice ale uleiurile vegetale brute.................................... 7 3.2. Concluzii privind direct caracteristicile energetice ale uleiurilor vegetale brute, valorificabile energetic sau n amestec cu hidrocarburi lichide................................................................................... 14 Capitolul 4 INSTALAII DE ARDERE RECOMANDATE PENTRU VALORIFICAREA ULEIURILOR VEGETALE 4.1. Cerine generale impuse instalaiilor de ardere.............................................................................. 14 4.2.Influena parametrilor energetici ai combustibilului n alegerea tipului de instalaie de ardere..... 15 4.3. Tipuri de arztoare capabile funcionrii cu uleiuri vegetale....................................................... 15 4. 4. Instalaii de cazane ce pot utiliza uleiuri vegetale........................................................................... 17 Capitolul 5 CERCETRI PRIVIND CAPACITATEA DE PULVERIZARE MECANICA A ULEIURILOR VEGETALE PURE UTILIZATE N SCOPURI ENERGETICE 5.1. Modelul matematic caracteristic procesului de pulverizare mecanic a combustibililor lichizi....................................................................................................................................................... 18 5.2. Problematica pulverizrii uleiurilor vegetale................................................................................... 21 5.3. Caracteristicile pulverizrii mecanice (cu pomp).......................................................................... 21 54. Cercetri experimentale de pulverizare a uleiurilor vegetale........................................................ 24 Capitolul 6 ANALIZA DINAMICII ARDERII ULEIURILOR VEGETALE N INSTALAII ENERGETICE 6.1. Valorificarea energetic a uleiurilor vegetale............................................................................... 27 6.2. Rezultatele analitice privind arderea uleiurilor vegetale......................................................... 28 Capitolul 7 CERCETRI EXPERIMENTALE DE ARDERE A ULEIURILOR VEGETALE BRUTE 7.1.Descrierea cazanului experimental................................................................................................. 32 7.2. Rezultatele testelor experimentale................................................................................................ 34 7.4.Concluzii........................................................................................................................................ 36 Capitolul 8 ANALIZA ECONOMIC PRIVIND VALORIFICAREA ENERGETIC A ULEIURILOR DE PLANTE OLEAGINOASE 8.1. Energia primar, sigurana naional i protecia mediului........................................................... 37 8.2. Producia naional la cultura plantelor oleaginoase..................................................................... 37 8.3. Aspecte economice privind utilizarea uleiurilor vegetale brute n producia de energie.............. 38 Capitolul 9 CONCLUZII 9.3. Contribuii originale...................................................................................................................... 42 Bibliografie selectiva.......................................................................................................................... 43



Cuvnt nainte

Lucrarea de doctorat a fost conceput i dezvoltat n sprijinul ideii utilizrii eficiente din punct de vedere energetic a uleiurilor vegetale. Astzi, n etapa creterii i diversificrii gamei de combustibili regenerabili, uleiurile vegetale consider c au rolul i locul lor n producia de energie, aa cum ele i-au gsit deja un loc i rol n industria transporturilor. Cum rapia i-a atins limitele agricole i economice, avand astazi o valorificare tehnica si economica integral n transporturi, locul pentru energetic s-a considerat ca revine uleiului de floarea soarelui ca urmare a suprafetelor considerabile ce rezulta in urma conditiilor impuse de rotatia culturilor. . Cercetrile de laborator i experimentale s-au realizat n laboratoarele de la Universitatea Politehnica Bucureti, dar au avut i sprijinul Institutului Naional ICEMENERG, care a abordat n trecut i el parial aceste aspecte. Mulumesc domnului prof.dr.ing. Lzroiu Gheorghe pentru ntreaga activitate de coordonare a activitii mele la doctorat i pentru sprijinul tiinific permanent pe parcursul realizrii tezei de doctorat. Mulumirile se adresez i ntregului colectiv de la Departamentul Termotehnic, Motoare, Echipamente Termice i Frigorifice de la Facultatea de Inginerie Mecanic i Mecatronic pentru activitatea de cercetare experimental desfurat n cadrul Laboratorului de Combustibili i Instalaii de Ardere, foarte bine dotat pentru obiectivele propuse n teza de doctorat. Doresc de asemenea s aduc sincere mulumiri doamnei .l.dr.ing. Pop Elena pentru sprijinul oferit n determinarea caracteristicilor energetice uleiurilor vegetale pure sau mixate cu combustibili lichizi uori. Aceleai sincere mulumiri se ndreapt i spre domnul prof.dr.ing. P Ionel pentru sprijinul din cadrul activitilor de experimentare i pentru ajutorul oferit la acoperirea cu aparatura de cercetare necesar. Mulumesc familiei care m-a sprijinit permanent, colegilor i tuturor profesorilor care m-au format. Bucureti, februarie, 2015

Autorul



INTRODUCERE

Pentru atingerea obiectivului ambiios propus de rile Uniunii Europene de a reduce de patru ori emisiile la orizontul anului 2050, se presupune o puternic decarbonizare a sistemului energetic, prin apelarea mai puin la energia nuclear ci mai ales la sursele regenerative de energie. Utilizarea combustibililor regenerabili reprezint i o important problem de siguran economic i social. Programul i politica naional de utilizare a surselor regenerabile de energie se nscrie n cerinele de mediu asumate prin Protocolul de la Kyoto, din 1997 i ratificat de Romnia prin Legea n. 3/2001 (respectiv de UE n baza Documentului 2002/358/CE). Ca urmare, teza de doctorat cuprinde o analiz complex, tehnic i economic, privind posibilitatea utilizrii uleiurilor vegetale brute n scopul producerii de energie. Capitolul 1, analizeaz stadiul actual al produciei de energie din resurse regenerabile. Se constat c este necesar s se accelereze ritmul de dezvoltare a noilor tehnologii energetice curate, inclusiv prin lrgirea nomenclatorului de combustibili regenerabili cu consumuri energetice reduse, categorie n care este cuprins i uleiul vegetal brut. Capitolul 2, prezint potenialul energetic al culturilor de plante oleaginoase. Uleiurile vegetale, ce reprezint obiectul studiului din lucrarea de doctorat, au n compoziie elemente chimice similare combustibililor lichizi fosili, cu reacie exogen (putere calorific semnificativ), aspecte ce-i recomand pentru valorificare n scopul producerii de energie. n prezent uleiurile vegetale sunt folosite nc majoritar n industria alimentar, chimic i mai nou n transporturi. Valorificarea n scopuri energetice reprezint o aplicaie pentru viitorul apropiat. n capitolul 3, sunt studiate caracteristicile fizico-chimice i energetice ale uleiurilor vegetale. Pentru valorificare n scopuri energetice au fost luate n consideraie conform analizei potenialului agricol al Romniei, dou sorturi de uleiuri vegetale: ulei de floarea soarelui i de rapi. Se constat c acestea au caracteristicile energetice asemntoare ntre ele i foarte apropiate de hidrocarburile lichide, astfel c s-a luat n considerare posibilitatea utilizrii acestora la instalaii energetice clasice, cu minime adaptri tehnologice. Capitolul 4, prezint o selecie a instalaiilor de ardere pentru combustibilii fosili lichizi, pentru posibilitatea valorificrii uleiurilor vegetale cu minime transformri tehnice. S-a fcut o analiz a particularitilor cerute unei instalaii de ardere clasice pentru a putea fi utilizat cu succes la arderea uleiurilor vegetale. S-a identificat gama de astfel de instalaii pe categorii de puteri termice, pentru a se oferi un set posibil de aplicabilitate tehnic direct. n capitolul 5, se prezint cercetrile privind capacitatea de pulverizare mecanic a uleiurilor vegetale pure utilizate n scopuri energetice. Cercetrile experimentale efectuate pe un stand de la Universitatea Politehnica Bucureti, au avut rolul de a confirma rezultatele teoretice realizate pe baza unui model propriu, original, pentru pulverizarea mecanic cu pomp. Probele experimentale s-au efectuat la temperatura mediului, acesta reprezentnd temperatura normal de exploatare (cea mai ridicat temperatur pentru pulverizarea acestei categorii de combustibili nu depete 700C). Capitolul 6, analizeaz dinamica arderii uleiurilor vegetale n instalaii energetice. S-a dezvoltat un model original de calcul pentru valoarea timpului de ardere a uleiurilor vegetale i pentru



determinarea lungimii flcrii. S-a urmrit ca lungimea flcrii s fie compatibil cu cea a focarelor recomandate pentru implementarea valorificrii uleiurilor vegetale. Capitolul 7, conine rezultatele cercetrilor experimentale de ardere a uleiurilor vegetale brute, experimentri efectuate pe un cazan Multiplex CL 50, cu o putere termic de 50 kW. Cazanul a fost dotat cu un arztor turbionar cu pulverizare mecanic cu pomp, similar analizelor anterioare. Experimentrile au evideniat pentru toate situaiile o aprindere bun i o desfurare corespunztoare a procesului de ardere, cu emisii poluante n limitele legislaiei. n capitolul 8, se prezint o analiz economic privind valorificarea energetic a uleiurilor de plante oleaginoase. Calculele s-au efectuat pentru instalaiile de putere termic redus n comparaie cu costurile utilizrii gazului natural. S-a putut astfel defini preul maxim acceptabil pentru aceast aplicaie. Pentru puteri termice medii i mari s-a luat n considerare cocombustia pcurii cu ulei vegetal. Capitolul 9, conine concluziile privind aplicabilitatea posibil n viitor a realizrilor obinute n lucrarea de doctorat.

CAPITOLUL 1. STUDIUL ACTUAL AL PRODUCIEI DE ENERGIE DIN RESURSE

REGENERABILE

1.1. Problemele energeticii mondiale Omenirea se confrunt n acest nou secol cu cteva probleme majore, aprute de la finele

secolului trecut, cele mai importante fiind energia, apa i alimentaia, rezolvarea lor pe termen mediu i n interaciune fiind esena preocuprilor pentru o dezvoltare durabil.

O abordare cu referire la energiile regenerabile trebuie s porneasc de la problemele schimbrilor climatice i disponibilitilor resurselor, n condiiile unei importante creteri demografice i unei dezvoltri durabile. Prin schimbul natural dintre atmosfer, biosfer i oceane pot fi absorbite circa 11 miliarde tone de CO2 (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon), ceea ce reprezint circa jumtate din emisiile actuale ale omenirii. Aceasta a condus la o cretere permanent a concentraiei de CO2 din atmosfer de la 280 de ppm nainte de dezvoltarea industrial la 360 ppm n prezent [2], [3], [4]. Aceste obiective pot fi atinse prin urmtoarele:

- reducerea costurilor de producere a energiei pentru unele tehnologii (eolian n largul mrilor, fotovoltaic);

- creterea fezabilitii industriale pentru agentul geotermal de mare adncime, biocarburanii de sintez i stocarea energiei electrice i termice, dezvoltarea aplicaiilor pentru valorificarea energetic a combustibililor regenerabili.

1.2. Situaia Romniei Programul i politica naional de utilizare a surselor regenerabile de energie se nscrie n

cerinele de mediu asumate prin Protocolul de la Kyoto la Convenia Cadru a Naiunilor Unite asupra schimbrilor climatice, adoptat la 11 decembrie 1997 i ratificat de Romnia prin Legea nr. 3/2001 (respectiv de Uniunea Europeana n baza Documentului 2002/358/CE).

n contextul aderrii Romniei la structurile UE, obiectivele privind valorificarea surselor de energie regenerabil (SRE) sunt cuprinse n Strategia de valorificare a surselor regenerabile de energie HG 1535/2003 care ine seama de HG 443/2003 privind Promovarea producerii de energie electric din surse regenerabile de energie i de HG 163/2004 Strategia naional de eficien energetic.

Pentru ncadrarea unei surse de energie n categoria surselor regenerabile, acestea trebuie s ndeplineasc dou condiii: s aib potenial energetic i s poat fi convertite n energie prin



tehnologii accesibile la momentul actual. Astfel, se pot defini ca regenerabile urmtoarele categorii: energia hidraulic, energia solar, energia eolian, energia geotermal, energia biomasei.

Pentru Romnia, biomasa este reprezentat n special prin deeurile de lemn, deeurile agricole, i culturile energetice. Producerea i valorificarea energetic a biomasei reprezint i o oportunitate pentru dezvoltarea rural durabil.

Potenialul energetic al biomasei este de circa 7.594 mii tep/an, mprit pe urmtoarele categorii de combustibil: reziduuri de exploatri forestiere i lemn de foc (1.175 mii tep), deeuri de lemn (487 mii tep), deeuri agricole rezultate din cereale (4.799 mii tep), biogaz (588 mii tep), deeuri i reziduuri menajere urbane (545 mii tep) [13].

CAPITOLUL 2. POTENIALUL ENERGETIC AL CULTURILOR DE OLEAGINOASE Din considerente geo-politice i ecologice, pe plan mondial se intensific aciunile de

diversificare a surselor de energie, printre acestea numrndu-se i sursele regenerabile de natur vegetal.

Uleiurile vegetale, ce reprezint studiu n lucrarea de doctorat, au n compoziie elemente chimice similare combustibililor lichizi fosili, cu reacie exogen (putere calorific).

Printre aciunile de folosire a biomasei drept combustibil se menioneaz arderea n scopuri energetice sau n transporturi a uleiurilor extrase din diverse sorturi de plante (floarea-soarelui, soia, rapi, germeni de porumb, in, ofrnel). n prezent aceste uleiuri sunt folosite nc majoritar n industria alimentar, chimic, etc.

Uleiurile au n componen mas combustibil, substane minerale necombustibile i ap. Masa organic este format i din elemente necombustibile (O, N). Pentru a vedea cum se comport aceste uleiuri n procesul de ardere, respectiv de posibil folosire a lor drept combustibil lichid, este necesar cunoaterea caracteristicilor fizico-chimice care influeneaz desfurarea diverselor faze ale procesului, caracteristici definite drept caracteristici energetice.

n acest scop, sunt definii combustibilii lichizi provenii din surse regenerabile n funcie de domeniul de utilizare: energie sau transporturi. Astfel sunt definite: [15] [16] [17]. biolichide nseamn combustibil lichid utilizat n scopuri energetice i produs din biomas; biocombustibili nseamn combustibil lichid sau gazos pentru transport, produs din biomas;

Reducerea emisiilor de gaze cu efect de ser datorat utilizrii biocombustibililor i a altor biolichide luate n considerare n scopurile energetice va fi de cel puin 35%.[18] [19] [20] [21] [22] [23].

Producia de semine la hectar, relativ mici n comparaie cu cele din rile europene dezvoltate, arat importana covritoare a condiiilor climatice anuale i necesitatea mbuntirii tehnologiilor agricole. n acest sens se observ o cdere pronunat a produciilor la hectar n anii secetoi 2003, 2004 i 2007, 2012, dar i capacitate de a obine recolte rentabile: de exemplu recolte de peste 2000 kg/ha pentru rapi din 2004, 2008 i 2010 apropiate de recoltele medii europene. Romnia reprezint un mare cultivator de floarea soarelui att referitor la suprafeele cultivate ct i la producie, cu producia realizat pentru ultimii ani, prezentate n tabelul 2.3.



Producia de semine plante oleaginoase din Romnia Tabelul 2.3.

Specificare UM 2007 2008 2009 2010 2011 2012* Suprafaa Mii ha 835,9 813,9 766,1 790,8 995,0 1064,8 Producia medie kg/ha 654 1437 1433 1597 1798 1313 Producia total mii to 546,9 1169,7 1098,0 1262,9 1789,3 1398,2 Sursa: 2007-2011- Date INS Anuarul Statistic al Romniei *Date INS- Producia vegetal la principalele culturi agricole n anul 2012 n urma recoltrii, din punct de vedere energetic pot fi valorificate:

- tulpinile; - seminele; - uleiul brut nerafinat.

Tulpinile au o asemnare din punct de vedere energetic cu lemnul. Ele pot fi arse sub form de vreascuri n cazane echipate cu grtar, sau sub form de toctur n cazane cu ardere n suspensie, strat fluidizat sau grtar mobil. Seminele pot fi arse n cazane echipate cu instalaii de ardere n strat fluidizat. Uleiul brut nerafinat, numit n continuare numai ulei brut este combustibil lichid nou aprut pe piaa energetic, arderea sa fiind realizat n ara noastr numai la stadiu de laborator. Se poate admite c un hectar de floarea soarelui, lucrat dup ultimele tehnologii, d o recolt de 2,5 t/ha i asigur obinerea a 1200 kg ulei, 800 kg de roturi (echivalent cu 300 kg de proteine), 500 kg de coji (70 kg drojdii), 1500 kg calatidii (1000 kg de fn calitativ), 30 40 kg de miere de albine .a. n plus, preul kilogramului de semine a crescut foarte mult n ultimii ani, de la 0,84 lei n anul 2007 la 1,74 lei n anul 2011.

n anul 2013 s-au exportat peste 550 mii tone de semine de floarea soarelui , n valoare de 215 milioane euro. Importurile au fost peste 200 mii tone, cu o valoare de 110 milioane euro.

Din prelucrarea seminelor de floarea soarelui se obine: - ulei brut 43-44%; - rot floarea soarelui. n Romnia se nsmneaz n jur de 800 000 ha cu o producie anual de 1.600 000 1.800

000 t. Pentru anul 2012 se estimeaz o producie de circa 450 mii tone de semine, puin sub cea din anul 2007. Romnia consum circa 300 000 t/an n sectorul alimentar.

Seminele sunt procesate pentru obinerea uleiului vegetal. Randamentul tehnologiei actuale de extragere a uleiului este de maximum 43-44%. Aplicnd acest procent, rezult urmtoarea producie naional de ulei vegetal.

Pentru un hectar neirigat cultivat cu floarea soarelui, rezult n medie 1 la 1,4 t de semine. Pentru un hectar irigat, rezult n medie 1,4 la 2,2 t semine. Producia de ulei va fi n medie de 37,7 la 39,8% din greutatea seminelor. Rezult un randament de obinere a uleiului brut de 90-97%. Datele au fost luate de la fabrica de ulei Galai.

Pentru un hectar cultivat cu floarea soarelui se obine n medie o cantitate de 1,8 t tulpini. Dac se scoate costul recoltrii, tulpinile de floarea soarelui se pot vinde cu suma de 100-120 lei/t. Rezult un beneficiu de 180-216 lei/ha. Problema const n posibila valorificare n scopuri energetice, dup ce se scade consumul animalier, care este circa 50% din producia de tulpini. Nu se justific economic un transport de peste 50 km de la zona de recoltare, pentru valorificare energetic.



Din punct de vedere al cultivatorului agricol pentru un hectar cultivat de floarea soarelui din cadrul unor exploataii medii i mari vor rezulta urmtoarele beneficii:

- din vnzarea seminelor: 225-300 lei, n funcie de gradul de irigare; - din vnzarea tulpinilor: 180-216 lei; Venitul total este deci de 405-516 lei/ha. Pentru aplicaii energetice, suprafaa maxim estimat

de 500 000 ha. Aceast suprafa suplimentar arabil exist, ea fcnd parte din cele aproximativ 2000 000 ha necultivate la ora actual.

Extinderea suprafeei cultivate cu floarea soarelui pentru utilizare n scopuri energetice va depinde n primul rnd de implementarea tehnologiei de ardere a uleiului vegetal brut. Rezult c primul pas trebuie realizat de sectorul energetic, acesta urmnd a antrena extinderea cultivrii florii soarelui (cultivatorul va fi stimulat de sigurana valorificrii produciei sale n sectorul energetic).

Forme de sprijin - schema de plat unic pe suprafa (SAPS); - plata naional direct complementar (CNDP); - subvenia primelor de asigurare. Romnia reprezint i un mare productor de rapi , cu datele prezentate n tabelul nr.2.6. Se face meniunea c uleiul de rapi are destinaie spre industria transporturilor i cu toate c

reprezint un real potenial pentru producerea de energie, piaa mare din industria transporturilor l absoarbe astzi totalmente.

Producia de rapi n Romnia Tabelul nr.2.6 Specificare UM 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Suprafaa Mii ha 364,9 365,0 419,9 537,3 392,7 97,1 Producie medie kg/ha 991 1844 1357 1755 1882 1622 Producie total mii to 361,5 673,0 569,6 943,0 739,0 157,5 Sursa: INS

CAPITOLUL 3. CARACTERISTICILE FIZICO CHIMICE I ENERGETICE ALE ULEIURILOR VEGETALE

3.1. Caracteristicile fizico chimice i energetice ale uleiurile vegetale brute

Pentru valorificare n scopuri energetice au fost luate n consideraie dou sorturi de uleiuri vegetale pa baza analizei actualului potenial agricol al Romniei: uleiul de floarea soarelui i uleiul de rapi.

Determinrile caracteristicilor fizico-chimice i energetice ale uleiurilor vegetale s-au efectuat n laboratoarele ICEMENERG, OVM i UPB (laboratorul de Combustibili, Cazane i Instalaii de Ardere).

Coninutul de carbon, hidrogen, azot, sulf i oxigen din uleiurile vegetale s-a determinat conform standardelor actuale :

- carbonul, hidrogenul i azotul prin tehnologia pentru petrol ASTM D5865/2007; - sulf similar pentru produse petroliere ASTM D5865/2007; - procedura de ncercare OVM ICCPET cod PIL 5,5/3.

Aparatul care determin aceste componente ale analizei elementare a fost analizorul FLASH EA 1112, aflat n dotarea laboratorului de Combustibili de la Departamentul TMETF.



Determinarea coninutului de ap s-a fcut dup norma pentru produsele petroliere bituminoase, prin metoda distilrii SR1348/2003.

Coninutul de cenu din uleiurile vegetale s-a determinat conform metodei utilizate pentru produsele petroliere SREN ISO 6245/2003.

Determinarea puterii calorifice s-a fcut conform standardului Test method for heat of combustion liquid hydrocarbon fuels by bomb calorimeter ASTME D240/2002.

Determinarea cifrei de cocs a uleiurilor vegetale s-a fcut dup metoda Conradson- SR ISO6615/1996 utilizat pentru motorin, uleiuri i pcur.

Determinarea punctului de inflamabilitate s-a fcut dup metoda Marcusson-SR5489/2008 utilizat pentru produse petroliere lichide.

Vscozitatea a fost determinat cu viscozimetrul Engler, conform STAS117/1987. Transformarea a viscozitii relative E n viscozitate cinematic exprimat prin relaia lui

Ubbelohle are exprimarea: ( ) sminEEx /10/31.631.7 2600 = (3.1)

Densitatea s-a determinat conform SREN ISO3675/C91/2005 cu ajutorul aerometrului utilizat pentru iei i produse petroliere lichide. Uleiul de floarea soarelui Analizele efectuate pe o prob de ulei de floarea soarelui au artat:

- coninut ridicat de carbon (cca. 78%); - puterea calorific superioar de 41940 kJ/kg iar cea inferioar de 39360 kJ/kg, valori

apropiate de cea a hidrocarburilor; - coninut foarte redus de sulf, de 0,06 0,07%; - punctul de inflamabilitate cu o valoare ridicat, de cca. 315 3250C. Viscozitatea relativ a fost determinat la temperaturile de 50, 80 i 1000C. n tabelul 3.1 se

prezint valorile viscozitii relative i cinematice la aceste temperaturi.

Viscozitatea uleiului brut de floarea soarelui Tabelul 3.1.

500C 800C 1000C Viscozitatea relativ (0E) 3,04 2,4 1,62 Viscozitatea cinematic (cm2/s) 0,2 0,14 0,08 Uleiul de rapi Valorile viscozitii relative i a celei cinematice se afl n tabelul 3.2. Puterea calorific superioar i cea inferioar are urmtoarele valori:

- Qs = 43010 kJ/kg - Qi = 40400 kJ/kg



Viscozitatea uleiului brut de rapi Tabelul 3.2.

500C 800C 1000C Viscozitatea relativ (0E) 3,01 2,12 1,74 Viscozitatea cinematic (cm2/s) 0,19 0,14 0,086 uureaz implementarea cu modificri minime a uleiurilor vegetale brute n locul sau n mixaj cu hidrocarburile lichide uoare. [25].

Fig. 3.1. Variaia viscozitii cinematice a uleiului brut de floarea soarelui funcie de temperatur Curbele trasate pentru variaia viscozitii cu temperatura, au permis i determinarea unor relaii analitice, prezentate n tabelul 3.3. [26], [27], [28]. S-a analizat i comportarea uleiurilor vegetale la temperaturi foarte sczute, cu referire n special pentru instalaiile de stocare. S-a constatat c la o temperatur de -350C viscozitatea relativ este de 15 20 0E, deci sensibil mai mic dect limita de pompare (550E). Aceste valori permit ca uleiul vegetal s nu fie prenclzit pentru a putea fi vehiculat prin conductele de alimentare spre instalaiile ardere, chiar i pentru cele mai dificile condiii de exploatare.

Floarea soarelui

y = -0.6994Ln(x) + 4.2252

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

273 293 313 333 353 373 393

T[Kelvin]

Visc

ozita

te cin

emati

ca [c

m2/s]

Floarea soarelui valorimasurateLog.(Floarea soarelui)



Fig. 3.2. Variaia viscozitii cinematice a uleiului brut de rapi funcie de temperatur

Variatia viscozitatii cinematice a uleiurilor vegetale cu temperatura Tabelul 3.3

Sort ulei Viscozitate n funcie de temperatur Ulei de floarea soarelui = 0,78 ln t+4,75 Ulei de rapi = 0,72 ln t+4,35

Punctul de inflamabilitate Punctul de inflamabilitate definit drept temperatura minim la care , la presiunea atmosferic normal , vaporii degajai n amestec cu aerul se aprind de la o surs incandescent, are o importan deosebit din punct de vedere al procesului de aprindere pentru particulele de ulei vegetal din flacr. Uleiurile vegetale au punctul de inflamabilitate cu valori cuprinse ntre 254 321 C .

Aceste valori sunt mult ridicate fa de motorin (810C). In cadrul cercetrilor de laborator s-au utilizat probe din aceste uleiuri in stare bruta,

nemodificate chimic. S-au analizat urmtoarele caracteristici ale probelor de laborator: mirosul, gustul, culoarea si aspectul. Probele de combustibili lichizi clasici aditivai cu ulei vegetal ( in proporii de 10%, 20%, respectiv 50% ulei ), sunt neemulsionate, fr precipitat, fr impuriti mecanice sau sedimente. Aceste caracteristici s-au constatat la substanele iniiale neamestecate si s-au regsit i la probele finale, dup aditivare, fr nici o alterare, indiferent de tipul de ulei sau de procentul de aditivare.

n figura 3.3. se prezint variaia viscozitii cu temperatura pentru combustibilul lichid uor tip M, aditivat cu ulei brut de floarea soarelui i rapi n proporie de 20 i 40%. Limitele de mixaj reprezint tendina economico-tehnologic actual de utilizare energetic a unui astfel de combustibil. Se are n vedere realizarea unei co-combustii, cu o participare semnificativ de combustibil regenerabil, compatibil n totalitate cu instalaiile energetice clasice. [31], [32],

Rapita

y = -0.7151Ln(x) + 4.3018

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

273 293 313 333 353 373 393

T [Kelvin]

Visco

zitate

a cine

matic

a [cm

2/s]

Rapita valori masurateLog.(Rapita)



Fig . 3.3. Variatia viscozitatii Engler celor 3 tipuri de combustibili testati cu temperatura

Realizarea unei viscoziti sub 20E la 500C, demonstreaz deplina compatibilitate a acestor

amestecuri de combustibili cu instalaiile de pulverizare mecanic chiar pentru cel mai mic nivel de prenclzire.

Compoziia elementar i puterea calorific ale uleiurilor vegetale, motorinei i amestecurilor de uleiuri cu motorina

Tabel 3.7 Material

C %

H %

S %

O %

A %

W %

Qi kJ/kg

Ulei de floarea soarelui 77,39 11,54 0,069 11,0 0,0 0,0 39341

Ulei de rapi 78,01 12,28 0,069 9,64 0,0 0,0 40425 Motorin 87,8 11,14 0,0 0,335 0,004 0,0 43277 Ulei de floarea soarelui 20% + CLU 80% (c)

85,66 11,25 0,014 2,468 8x10-4 0,0 42490

Ulei de floarea soarelui 40% + CLU 60% (c)

83,53 11,35 0,028 4,60 8x10-4 0,0 41702

Ulei de rapi 20% + CLU 80%(c) 85,81 11,32 0,014 2,196 8x10

-4 0,0 42707

Ulei de rapi 40% + CLU 60% (c) 83,82 11,49 0,024 4,057 8x10

-4 0,0 42138



Se remarc faptul c n ceea ce privete coninutul de carbon apare cea mai sensibil deosebire dintre uleiurile vegetale brute i combustibilii lichizi fosili uori. Acest lucru se traduce n diferena dintre puterile calorifice.

Caracteristicile fizico-chimice ale uleiurilor vegetale

care influeneaz procesul de ardere Tabelul 3.8.

Caracteristici

UM

Ule

i de

floar

ea

soar

elui

U

lei d

e

rapi

Mot

orin

Ule

i f.s

.20%

+

mot

orin

Ule

i f.s

.40%

+

mot

orin

Ule

i ra

p.20

%

+ m

otor

in

Ule

i ra

p.40

%

+ m

otor

in

Densitate kg/m3 941,5

920,4 827

849,5(c) 872,8(c)

845,7(c) 864,4(c)

Viscozitate la 50C E 2,92 2,81 1,4 1,6 1,62 1,46 1,62



Punct de inflamabilitate C 321,0

254,0 81,0 71,75 82,75 78,75 75,0

Umiditate % 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Cocs Conradson % 0,289 0,264 0,0 0,0587 0,1156 0,0528 0,1056

Sulf % 0,069 0,069 0,0 0,0138 0,0276 0,0138 0,0276



Fig. 3.6. Puterea calorifica superioara (Qs) la diferite proportii [%] de ulei vegetal aditivat cu

combustibil lichid usor (CLU) la combustibil lichid usor (CLU)

Fig. 3.9. Punctul de inflamabilitate functie de proportia [%] de ulei vegetal aditivat la combustibil lichid usor (CLU)

10775

10620

10460

10336 10300 10350 10400 10450 10500 10550 10600

10650 10700 10750 10800

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Putere calorifica superioara

75 82 92

267

70

120

170

220

270

320

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Punct inflamabilitate [0C]

Punct inflamabilitate [0C]



3.2. Concluzii privind direct caracteristicile energetice ale uleiurilor vegetale brute, valorificabile energetic sau n amestec cu hidrocarburi lichide Din analiza tehnic s-au obinut urmtoarele rezultate la testele de laborator:

- la determinrile n laborator a umiditii combustibililor lichizi, valorile nregistrate sunt foarte mici i scad prin aditivarea cu uleiuri vegetale pn spre valoarea zero;

- cenua are valori extrem de mici, iar la creterea procentului de ulei n aditivare, valorile tinznd ctre zero;

- combustibilii lichizi aditivai cu uleiuri vegetale conin doar urme de sulf. Avnd n vedere faptul c pentru un combustibil cu coninut de sulf mai mic de 0,07%, instalaia aferent nu necesit echipamente de desulfurare, rezult c la instalaiile energetice preul de producere a energiei va scdea corespunztor prin aditivarea cu uleiuri vegetale a combustibililor lichizi clasici. Cercetrile au evideniat faptul c n cazul combustibililor lichizi grei (pcura), viscozitatea acestora este mai mare dect a uleiurilor vegetale. Din aceast cauz, fa de combustibilul greu neaditivat, viscozitatea a sczut considerabil prin aditivare cu ulei vegetal. De asemenea, trebuie remarcat c la utilizarea CLU, viscozitatea crete odat cu procentul de ulei aditivat, deoarece viscozitatea uleiurilor vegetale este mai mare dect a CLU. Tensiunea superficial a fost un parametru esenial determinat avnd n vedere influena asupra pulverizrii i arderii combustibilului. Puterea calorific inferioar a uleiurilor vegetale brute este apropiat de cea a hidrocarburilor lichide, nescznd sub 0,9 din valoarea pentru acestea.

CAPITOLUL 4. INSTALAII DE ARDERE RECOMANDATE PENTRU VALORIFICAREA ULEIURILOR VEGETALE

4.1. Cerine generale impuse instalaiilor de ardere Valorificarea energetic a uleiurilor vegetale brute i a mixturilor de combustibili lichizi uori cu uleiuri vegetale brute (floarea soarelui, rapi, porumb, etc.) este rentabil dac se poate realiza fr adaptri speciale la unele tipuri de instalaii de ardere.

Arderea acestor combustibili, este eficient dac nu va apela neaprat la instalaii de pulverizare i ardere special construite, ci poate utiliza instalaiile deja existente pentru combustibilii lichizi fosili. S-a avut n vedere o limit a mixrii ntre 20 i 40%, i cu totul excepional de 50%. O bun pulverizare este cerut de valoarea mai ridicat a temperaturii de inflamabilitate a uleiului vegetal brut. Astfel CLU se aprinde la 700C, dar prin aditivare cu ulei vegetal n proporie de 20%, valoarea crete la 82%, iar la o proporie de 50% la 920C (uleiul de floarea soarelui pur se aprinde la 2700C). Funcie de tipul pulverizatorului utilizat, aceste uleiuri trebuie prenclzite pentru a se reduce viscozitatea cinematic la (6,76 19,83)*10-6m2/s.

Arztorul are rolul de a crea condiiile amorsare i de stabilizare a frontului de flacr i de desfurare a fazelor procesului de ardere care se desfoar n camera de ardere.

Amorsarea arderii se poate face de la scnteie electric (electrozi de aprindere) sau prin gaze de ardere fierbini (aprinztoare cu gaz). Cum uleiurile se caracterizeaz prin temperaturi de inflamabilitate ridicate, alegerea i dimensionarea instalaiilor de aprindere devine ceva foarte important.



4.2.Influena parametrilor energetici ai combustibilului n alegerea tipului de instalaie de ardere n cazul combustibililor lichizi, instalaia de ardere este alctuit din urmtoarele componente:

instalaie de preparare i alimentare cu combustibil; instalaie de alimentare cu aer; arztorul cu anexele sale; camera de ardere.

Principalele subansambluri ale arztorului sunt pulverizatorul i carcasa. Pulverizatorul are rolul de a transforma combustibilul lichid ntr-un nor de picturi, n scopul

mririi suprafeei specifice n vederea favorizrii vaporizrii i n final a aprinderii i arderii. Carcasa arztorului este subansamblul prin care se introduce aerul de combustie n arztor.

Geometria canalelor carcasei imprim aerului un anumit cmp de viteze n zona de formare a amestecului combustibil i n zonele din avalul frontului de flacr.

Procesul de ardere a picturilor are trei etape: prenclzirea, aprinderea i arderea propriu zis.

4.3. Tipuri de arztoare capabile funcionrii cu uleiuri vegetale Arztoare tip PNZ

Arztoarele pentru combustibil lichid uor PNZ sunt construite n dou trepte, fiind destinate cazanelor presurizate (fig.4.1). Reglajul capului de ardere se face din exterior, avnd o servocomand electric a clapetei de aer. Combustibilul este filtrat i prenclzit n rezervor cu rezisten electric, controlul prenclzirii fiind asigurat de un termostat de precizie. Caracteristicile arztoarelor sunt indicat n figura 4.2 i tabelul 4.3.

Fig. 4.1. Arztoarele de combustibil lichid uor PNZ



Arztoare tip SGB Arztoarele SGB sunt fabricat de firma GB-GANZ i sunt de tip monobloc, automatizate, cu reglaj n dou trepte, pe combustibil mixt gaz-lichid, respectiv motorin, combustibil lichid uor, pcur sau/i gaz natural, (figura 4.3). Sistemul de pulverizare pentru combustibilul lichid se realizeaz prin presiune. Puterea termic pentru domeniul redus este n domeniul (0 500) kW, iar cea medie pentru domeniul industrial (500 -

Arztoare cu cup rotativ Arztoarele echipate cu pulverizator cu cup rotativ au presiunea de intrare a combustibilului

mic, fiind egal cu cderea de presiune la intrarea combustibilului, pulverizarea primar a lichidului fcndu-se sub efectul forei centrifuge imprimate de micarea de rotaie din zona cupei.

Circuitul de alimentare trebuie prevzut cu armturi pentru reglarea debitului de combustibil, funcie de puterea termic necesar.

Fig. 4.3. Arztor SGB i caracteristicile de funcionare



La arztoarele de putere termic medie (250 2000 kW), n general, se utilizeaz reglajul de sarcin n trepte (tot puin nimic), care simplific schema tehnologic i de automatizare a instalaiei. Presiunea mic a combustibilului la intrarea n pulverizator ( 2 5 mbar) permite alimentarea arztorului prin cdere liber, dintr-un rezervor de zi, de la o nlime de circa 3 m.

n figura 4.5. se prezint un arztor pilot (model), dezvoltat la CCT UPB, destinat exclusiv arderii uleiurilor vegetale brute sau n mixtur cu combustibili lichizi fosili uori.

4. 4. Instalaii de cazane ce pot utiliza uleiuri vegetale Utilizarea uleiurilor vegetale poate cuprinde: - cazane de putere termic redus (sub 70 kW);

- cazane de putere termic medie (70 - 2000 kW); - cazane energetice de putere mare.

Utilizarea cea mai uoar a uleiurilor vegetale la cazane de putere mare, se poate realiza n special prin soluia co-combustiei. Uleiul vegetal n acest caz poate fi ars fie cu ajutorul unor arztoare special destinate acestui scop, n paralel cu arderea hidrocarburilor la celelalte arztoare, sau prin premixare cu hidrocarburi, la toate arztoarele ce echipeaz cazanul. De regul, problemele tehnice sunt mult uurate la utilizarea cazanelor de puteri termice mari.

Instalaiile de cazan de putere medie sunt cazane de abur sau de ap cald cu puterile termice cuprinse ntre 70 i 2000 kW.

Dimensiunile focarului trebuie adecvate puterii termice a instalaiei de ardere, astfel nct flacra s nu ating pereii focarului. La puteri de la 70 pn la 2000 kW se prevede un singur arztor sau cel mult dou.

La cazanele de tip acvatubular curirea manual este dificil i se impune o instalaie automat de eliminarea depunerilor pe suprafeele de nclzire. Dificultile de curire a suprafeelor de nclzire i efectele pe care le au depunerile asupra randamentului termic impun ca instalaia de ardere s aib performane ridicate, respectiv coninutul de carbon nears n gazele de ardere la evacuarea din focar s fie minim. Acest lucru se poate realiza prin:

- pulverizarea corespunztoare a combustibilului; - realizarea unui amestec aer combustibil adecvat; - realizarea unui regim termic n zona de ardere, corespunztor tipului de combustibil, prin

recircularea de gaze de ardere. Cazane de fabricaie Pifati SA Romnia

Firma Pifati produce cazane termice de bloc, cazane de ap cal i cazane de abur de joas presiune. Cazanele de ap cald sunt produse n 22 de tipodimensiuni, gama ACC cu capacitatea de (0,02 3) Gcal / h, i gama AAF cu capacitatea de (0,5 1) Gcal/h. Randamentul este de (90 92) %, i utilizeaz combustibili lichizi tip M sau CLU i gaz natural. Cazanele de abur de joas presiune sunt produse n 34 de tipodimensiuni, gamele AC, ACD i AV, cu capaciti de (0,15 -5) t/h abur saturat. Randamentul este de (89 93)% i utilizeaz combustibili lichizi tip M, CLU, pcur sau/i combustibili gazoi gaz natural i propan-butan.

Cazane Vulcan Romnia aflate n exploatare i care pot fi utilizate la arderea integrat a uleiurilor vegetale brute sau n cocombustie (mixaj) cu hidrocarburi lichide cuprind gamele: Cazan CTF-1, debit 2t/h abur, arztoare AGP-2, de 170 kg/h pcur Cazan Bloc abur 2t/h abur, debit pcur 142 kg/h Cazan bloc abur 4t/h abur, debit pcur 291 kg/h Cazan WK-926, 10t/h abur, debit pcur 900kg/h (2 arztoare AP 568)



Cazan CR9, 10t/h abur, 2 arztoare de pcur AGP-3 de cte 500 kg/h Cazan CR16, 10t/h abur, 2 arztoare de pcur AGP-3 Cazan CR-12, 50t/h abur, 6 arztoare de pcura AGP-3 Cazan C2, 120t/h abur, 6 arztoare de pcur de cte 1600 kg/h Cazan C4, 420t/h abur,18 arztoare de cte 1600 kg/h Cazan 2Gcal/h Cazan 3Gcal/h Cazan 5Gcal/h Cazan 10 Gcal/h, consum pcur 1140kg/h Cazan 25 Gcal/h, consum pcur 3100kg/h Cazan 50 Gcal/h, consum pcur 6500kg/h Cazan 100 Gcal/h, consum pcur 8200kg/h

CAPITOLUL 5. CERCETRI PRIVIND CAPACITATEA DE PULVERIZARE MECANICA A ULEIURILOR VEGETALE PURE UTILIZATE N SCOPURI ENERGETICE

5.1. Modelul matematic caracteristic procesului de pulverizare mecanic a combustibililor lichizi

Criteriile care descriu procesul formrii picturilor n cursul procesului de pulverizare au la baz ecuaia Navier-Stockes, sub forma vectorial, pentru micarea fluidului vscos, incompresibil, n regim laminar: [47]

wpgradFtd

wd+=

1 (5.1)

wpgradFwdivwt

w+=+

1 (5.2)

Pentru definirea criteriilor de similitudine se folosete fie structura ecuaiei, fa de scrile mrimilor fizice ce o compun, fie procedeul ce utilizeaz forma adimensional a ecuaiei. Grupnd convenabil rapoartele criteriale, se stabilesc 4 complexe adimensionale, deoarece ecuaia (5.2) conine N = 7 mrimi fizice, din care K = 3 sunt mrimi fundamentale dup cum urmeaz: [34] ,[35]

.;;; 002

002

02

ctrrw

ctrctrctr gll

====

(5.3)

Criteriul de similitudine Laplace cu exprimarea:

( )( )( )20

020

2

20

1

21dw

ddwLpsaudLpl

l

l

l

==

= (5.4)

unde: l este viscozitatea dinamic a lichidului; ql densitatea lichidului; - tensiunea superficial a lichidului; d0 dimensiunea geometric caracteristic a injectorului; w viteza lichidului. Criteriul Laplace evideniaz raportul ntre produsul forelor de inerie cu cele datorate tensiunii superficiale i forele de viscozitate ale lichidului. Inversul acestui criteriu 1 este definit sub numele de criteriul viscozitii. Criteriul de similitudine Weber cu exprimarea:

0

20

20

2

2

1d

dwWesau

dwWe gg

==

= (5.5)

unde qg densitatea mediului de pulverizare.



Criteriul We caracterizeaz raportul dintre forele de inerie i fora de tensiune superficial a lichidului (se folosete n cazul pulverizrii prin fluide auxiliare). Pentru cazul pulverizrii mecanice sub presiune, criteriul capt forma:

02dwWe l= (5.6)

Criteriul de similitudine 3, sub forma:

,03 d

= (5.7)

unde este lungimea de und a oscilaiei libere, datorit creia are loc descompunerea vnei n picturi. Criteriul de similitudine 4, cu expresia:

wg

l=4 (5.8)

Aplicndu-se teorema se pot exprima urmtoarele egaliti adimensionale, relative, cu aplicaie pentru definirea diametrului mediu al picturilor dm i constanta de distribuie granulometric, n:

;,,, 2 00

2

10

=

l

g

l

g

l

lgm ddwFdd

;,,, 2 0

02

2

=

l

g

l

g

l

lg ddwFn

(5.9)

( ) ( ).,,,;,., 210

NMLpWeFnNMLpWeFddm == (5.10)

O medie nu poate caracteriza complet toate proprietile norului de picturi ci numai pe una, conform proieciei dorite. De aceea calculul diametrului mediu al picturilor se face n funcie de acea proprietate determinat dorit, care s caracterizeze astfel procesul n ansamblu. Cele mai uzuale expresii, prezentate n ordinea complexitii, sunt: - diametrul mediu aritmetic

=

=

=

== ki

ii

ki

iii

m

n

dnd

l

1

10

(5.14)

n care: di reprezint valoarea curent a diametrului picturii (diametrul mediu de grup al picturilor);

ni numrul de picturi cu diametrul di dintr-un grup; - diametrul mediu de suprafa, criteriul urmrind meninerea suprafeei sumei de particule:

=

=

=

== ki

ii

ki

iii

m

n

dnd

1

1

2

20 (5.15)

- diametrul mediu volumic, criteriu ce urmrete meninerea volumului sumei de particule:

3

1

1

3

30

=

=

=

== ki

ii

ki

iii

m

n

dnd (5.16)

- diametrul ipotetic i mediu Sauter, definit ca diametrul mediu al picturilor dintr-un nor omogen, care are aceeai suprafa i numr de picturi cu jetul real:



=

=

=

=== ki

iii

ki

iii

mm

dn

dndd

1

2

1

3

328 (5.17)

- diametrul mediu Vitman, definit ca diametrul mediu al picturilor dintr-un nor ipotetic i omogen, care are acelai numr de picturi i aceeai greutate sau volum ca jetul real:

=

=

=

==

=

=

= === ki

ii

ki

iii

mki

iii

ki

iiii

mm

g

dgdsau

dn

dndd

VV

1

1

1

3

1

4

;43

(5.18)

unde gi este greutatea total a picturilor cu diametrul di ; acest diametru alturi de cel Vitman se utilizeaz de regul n calculele legate de procesul de ardere. Diametrul mediu Sauter definete corect viteza de evaporare i intensitatea procesului de formare a amestecului. Diametrul mediu Vitman caracterizeaz cea mai apropiat valoare de diametrul picturilor din jetul real i, de aceea este utilizat n studiul vitezei i timpului de ardere. Fineea de pulverizare n cazul arztoarelor cu pulverizare mecanic prin presiune Prelucrarea rezultatelor experimentale, privind fineea de pulverizare, obinute la injectoarele mecanice s-a materializat avnd ca baz teoria similitudinii pe baza forelor care provoac descompunerea jetului. Legtura funcional ntre criterii este de forma:

=ud

ud

l

g

l

llm

,,

0

22

(5.19)

unde este grosimea peliculei de lichid; u, v componenta tangenial i axial a vitezei. Relaiile pot fi scrise sub forma ecuaiei criteriale generale:

( )Addm ,,Re, 31

0

= (5.20)

Analiza granulometric, utilizeaz legea Rosin-Ramler-Bennet, pentru studiul uniformitii distribuiei dup dimensiuni a picturilor. Relaia Rosin-Ramler-Bennet, este sub forma [48]:

m

ddm

dd

meRsaueR

== 100100 (5.25) unde: R este procentul masic (sau volumetric) de picturi, din totalul de picturi al cror diametru este mai mare sau egal cu d;

d diametrul unei picturi oarecare;

dm diametrul mediu al picturilor pentru raportul 1=md

d , valoarea procentului masic R =

36,6%; Pentru valoarea coeficientul m = 3,28, determinat experimental, se obine:

diametrul maxim al picturii: mmdd 924,5max = (5.27)

diametrul minim al picturii: mmdd 002761,0min = (5.28)



intervalul de variaie al diametrului picturilor: m

dd 2142

min

max = (5.29)

S-a constatat, c formula Rosin-Ramler-Bennet se aplic, cel mai precis la injectoarele mecanice prin presiune.

5.2. Problematica pulverizrii uleiurilor vegetale

Uleiul vegetal brut pur sau combustibilul lichid uor aditivat cu ulei vegetal are o viscozitate apropiat de cea a combustibililor fosili lichizi uori, crescut doar cu circa 20 40%. Cercetri experimentale din cadrul tezei de doctorat au avut rolul de a confirma posibilitatea obinerii unei pulverizri adecvate n instalaiile de ardere energetice clasice. Probele experimentale s-au efectuat la o temperatur apropiat de cea a mediului, aceasta reprezentnd temperatura normal de exploatare ( cea mai ridicat temperatur pentru pulverizarea acestei categorii de combustibili nu depete 700C).

Din punctul de vedere al principiului de funcionare, injectoarele utilizate n energetic se clasific n:

mecanice, la care pulverizarea combustibilului se efectueaz pe baza energiei cinetice a jetului sub presiune, prin trecerea printr-un orificiu mic numit duz;

pneumatice (cu abur sau aer), la care pulverizarea combustibilului se efectueaz pe baza energiei cinetice a unui fluid auxiliar;

pneunomecanice, care reprezint o combinaie a primelor dou tipuri descrise; cu ultrasunete, care folosesc energia undelor pentru pulverizarea fluidului de lucru.

Pentru injectoarele cu pulverizare mecanic (cu pomp) va rezulta relaia pentru definirea diametrului mediu::

33,04

11,0656,0

max

101

210

72,3

=

l

ll

llr

d

(5.37)

5.3. Caracteristicile pulverizrii mecanice (cu pomp) Pentru caracterizarea fineei de pulverizare se folosete noiunea de diametru mediu al picturilor. Aa cum s-a menionat anterior pentru modelul fizic pentru pulverizarea mecanic s-au ales numai modelele cu cea mai bun aproximare a realitii, i anume:

diametrul mediu Sauter, diametrul mediu Vitman,

Diametrul mediu Vitman se determin cu relaia de calcul: kpv CAdd Re0= (5.38)

unde d0 este diametrul duzei, C constant experimental, iar A reprezint caracteristica geometric a injectorului, p coeficient cu valoarea, - 0,7, k = -0,1; C = 47,8.

unde: Dk este diametrul camerei de turbionare; dl - diametrul canalelor tangeniale; n numrul de canale tangeniale. [49], [50], [51] Unghiul de evazare a jetului de particule pulverizate se poate calcula cu relaiile:

- pentru fluide cu viscozitate redus:



33,04,0

0

2

0

1005,3

=

dD

tgtg k (5.40)

- pentru fluide vscoase ( )4103 Re33,0

0

= k

tgtg (5.41)

unde ( )( )+

=

1183,2

30ltg ; 2

201ad

d= ; da diametrul ambrazurii.

Dac regimul de funcionare este staionar, mrimea unghiului de pulverizare tinde ctre valoarea 0.

Pentru a evidenia performanele pulverizrii, relaia pentru calculul diametrului mediu dup Vitman n lucrarea de doctorat aceasta a fost prelucrat pentru a se pune n eviden viteza lichidului wl prin duza de pulverizare d0. Legtura dintre aceste dou mrimi este reprezentat prin

criteriul

=

l

lee

dwRR

0 . nlocuind valoarea d0 cu relaia

l

ee

wR

d

=0 , se obine o relaie de calcul pentru

diametrul mediu al picturilor de lichid, relaie ce permite o evideniere direct cu referire la debitul arztorului B, n kg/s.

skgdowB ll /,42

=

(5.42)

Viteza combustibilului lichid la curgerea prin duza de pulverizare se recomand n domeniul 50 150 m/s. n funcie de viteza de curgere a lichidului prin duza injectorului wl , relaia de calcul a diametrului mediu dup Vitman se va transforma sub forma:

mCAwRd

l

lv ,

1= (5.43)

unde d0 se introduce n m. n continuare, s-a aplicat aceast relaie pentru uleiuri vegetale de porumb, soia i floarea soarelui, pentru temperaturi de prenclzire de pn la 700C, cnd valoarea viscozitii dinamice este sub

sm /1013 26 . Aceast temperatur este realizat prin prenclzire electric pentru arztoarele destinate arderii combustibililor lichizi uori (CLU). Injectorul pentru care s-au efectuat aplicaiile mecanice are urmtoarele date constructive:

- diametrul camerei de turbionare, Dk = 15 mm - diametrul canalelor tangeniale, dt = 1 mm - numrul de canale tangeniale, n = 4 - diametrul duzei de pulverizare, d0 = 1 mm Aplicnd relaia (14) de calcul pentru constanta A, a rezultat valoarea:

( ) 5,314

11152 =

=A

n figura 5.3 se prezint variaia diametrului mediu Vitman pentru ulei de floarea soarelui cu variaia viscozitii pentru o temperatur de prenclzire cuprins ntre 30 i 700C, viteza vnei de lichid n duza de pulverizare variind ntre 50 i 150 m/s.



Fig.5.3. Variatia diametruluil mediu al particulelor de ulei de floarea soarelui, pulverizat cu injector cu camer turbionar i diametrul duzei d0 = 1mm, presiunea 40 bar in functie de viteza din duza de pulverizare

Fig.5.4. Variatia diametruluil mediu al particulelor de ulei de porumb, pulverizat cu injector cu camer turbionar i diametrul duzei d0 = 1mm, presiunea 40 barin functie de viteza din duza de pulverizare



n funcie de valori pentru diametrul mediu a fost calculat diametrul maxim i minim pentru jetul pulverizat, rezultnd [52], [53]:

Ulei de floarea soarelui Pentru pulverizare fin

diametrul maxim: md 1300809,11055924,51055 28,3max === diametru minim: md 7,14714,01055002761,01055 28,3min ===

Ulei de porumb Pentru pulverizare fin

diametrul maxim: md 916809,1507924,5507 28,3max === diametrul minim: md 98,7014,0507002761,0507 28,3min ===

Unghiul de deschidere al jetului pulverizat s-a determinat cu relaia (16); unde pentru raportul r 1, rezultnd pentru regim de pulverizare staionar valoarea:

,41,1283,2

0 ==gt de unde 0 = 54,650

5.4. Cercetri experimentale de pulverizare a uleiurilor vegetale Cercetrile experimentale s-au efectuat pe un stand de la Departamentul de Termotehnic, Motoare, Echipamente Termice i Frigorifice de la Universitatea Politehnica din Bucureti. [52], [54], Standul prezentat n figura 5.5, permite pulverizarea lichidelor att n tehnologia utilizrii injectoarelor cu pomp, ct i n cea a utilizrii de fluid auxiliar sub presiune.

Fig.

5.5. Schema standului experimental



Fig.5.6. Standul experimental pentru studiul pulverizrii

Pentru experimentri, standul a fost echipat cu un injector de 200 kg/h, prezentat n figura 5.7, cu

camer de turbionare i reglaj pe retur, presiunea de pulverizare fiind reglat pentru domeniul 35 40 bar. Diametrul duzei de pulverizare a fost de 1 mm, iar caracteristica geometric a camerei de retur are valoare A = 3,5, similar condiiilor de calcul prezentate anterior la subcapitolul 5.4.

Pentru o simulare ct mai exact a condiiilor reale, injectorul este ncadrat de un curent turbionat cu ajutorul unor palete de aer de ardere, realizat de un ventilator. n figura 5.6. se prezint poziia injectorului fa de seciunea de ieire din arztor, precum i cea a ventilatorului de aer. Injectorul este ncadrat de circuitul de aer secundar, cu turbionare a aerului, pentru o simulare ct mai adecvat.



Fig.5.7. Vedere injector i admisia la canalul de aer turbionat

Experimentrile, au confirmat valoarea unghiului de pulverizare 0 i o repartiie uniform a picturilor n seciunea transversal a jetului, aa cum se arat n figurile 5.8 si 5.9. Imaginea din figura 5.8 este pentru o presiune de pulverizare de 40 bar, iar cea din figura 5.9 pentru o presiune de 35 de bar.

Experimentrile au demonstrat capacitatea de pulverizare a uleiurilor vegetale cu injectoare sub presiune (cu pomp de pulverizare). Viscozitatea uleiurilor a fost cea din domeniul de calcule din subcapitolul 5.4 i anume de (7,6-14) -106 m2/s. Din imaginile obinute se remarc o penetrare a jetului pulverizat n absena aerului secundar turbionat de maximum 1 m, precum i ansamblu de picturi fine. Unghiul de evazare 0 a avut valoarea de 54,650.

Fig. 5.9. Aspectul jetului pulverizat la o presiune 40 bar

S-a constatat c att analitic ct i experimental c pulverizarea uleiurilor vegetale brute este foarte apropiat de cea realizat pentru combustibilul lichid uor pentru o aceeai temperatur.



Arztoarele actuale, permit realizarea acestor condiii de pulverizare astfel c adaptarea de la funcionarea de la combustibili lichizi fosili uori la uleiuri vegetale brute sau mixturi ntre acestea devine uor aplicabil.

CAPITOLUL 6. ANALIZA DINAMICII ARDERII ULEIURILOR VEGETALE N

INSTALAII ENERGETICE 6.1. Valorificarea energetic a uleiurilor vegetale

Modele de calcul aplicabile la arderea picturilor de ulei vegetal Prima etap n alegerea modelului matematic adecvat va depinde de analiza comparativ a

caracteristicilor energetice pentru uleiurile vegetale brute, fa de combustibilii fosili lichizi uori. Se definesc urmtoarele modele structurale [48], [55], - modelul Hitrin, ce consider c picturile de lichid primesc cldur de la mediul ambiant

numai prin convecie, iar timpul de ardere este impus de cel de vaporizare; - modelul Varsavski, consider cldura primit de particul prin conductibilitate, ca urmare are

mai mare precizie pentru picturile fine, rezultate n urma unei foarte bune pulverizri. - modelul Godsave, consider hotrtor influena radiaiei primit de la flacr asupra timpului

de ardere. - modelul Spalding; consider arderea ntr-un film staionar la periferia picturii sub influena fluxului combustibil difuziune aer. Modelul introduce i o funcie de transport a cldurii prin convecie. Relaia pentru calculul timpului de ardere pe baza acestor ipoteze devine:

( ) [ ]sBDRe+

=1ln2

20

(6.4)

n care: D este coeficientul de difuziune combustibil aer, m2/s, B parametrul de transport a cldurii; q densitatea gazelor de ardere, kg/m3, e - densitatea lichidului, kg/m3; R0 raza particulei, m.

+

= sgp

Oii TTc

mHB

2 (6.5)

n care Hii - este puterea calorific a combustibilului, J/kg; 2Om - concentraia gravimetric a oxigenului n mediul gazos; - oxigenul necesar arderii unitii de combustibil; Tg temperatura gazelor de ardere, ; Ts temperatura suprafeei particulei, ce se poate aproxima cu temperatura de vaporizare, ..

n urma analizei caracteristicilor energetice ale uleiurilor vegetale brute prezentate n tabelul 6.1, (efectuate de ICEMENERG n anul 2012) se remarc caracteristici pentru acetia foarte apropiate de combustibilul lichid uor din clasa motorinei [74 ] .



Caracteristicile energetice ale uleiurilor vegetale brute i n mixaj cu CLU

Tabelul 61 Combustibilul Caracteristica energetic

temp fierbere

0C

densitate kg/m3

cldur specific J/(kg)

cldur latent J/kg

conductibilitate W/(ms)

putere calorific

Hii J/kg

ulei floarea soarelui

210-230 915-930 1,80-1,86 500-530 0,18-0,184 39000-39400

ulei rapi 220-245 915-930 1,75-1,80 500-520 0,18 39900-40100

Motorin 230 858 1,74-1,76 430-445 0,169-0,171 40600 amestec ulei floarea soarelui 40% cu motorin

220 880 1,8-1,83 480-488 0,177 39800-39900

Punctul de inflamabilitate este de 320 3300C pentru uleiul de floarea soarelui, de 250 2600C

pentru uleiul de rapi i de 82 870C pentru mixajul cu motorin. Valoarea mai ridicat a temperaturii de vaporizare i de aprindere pentru uleiurile vegetale

implic ca adecvat pentru simulare numeric, a modelului Spalding, dominat de arderea ntr-un film pe periferia particulei i determinant in timp de difuzia oxigenului.

Lungimea flcrii de particule de combustibil lichid, dup lucrarea [48], se poate determina cu relaia:

[ ] [ ]mAutL 21+

= (6.6)

unde: u este viteza de curgere n seciunea de ieire din arztor, m/s; t timpul, s. Coeficientul A are structura:

5,1

0

2/14.21

+=

dd

A je

a

e

a

e

(6.7)

unde: este tensiunea superficial a lichidului, N/m, ea , densitatea aerului, respectiv a combustibilului lichid, kg/m3; a, e viscozitatea aerului, respectiv a combustibilului lichid, m2/s; dj, d0 diametrul jetului de combustibil, respectiv seciunea de ieire, m.

6.2. Rezultatele analitice privind arderea uleiurilor vegetale n figura 6.2 se prezint lungimea flcrii pentru arderea uleiului de floarea soarelui n stare

brut i aditivat cu 40% motorin (relaia de calcul 6.6). Rezultatele sunt pentru pulverizare mecanic cu pomp.



Fig.6.2. Lungimea flcrii n funcie de viteza combustibilului la ieirea din injector

Viteza de ieire din orificiul de injecie s-a considerat n domeniul 0,2 m/s, domeniu aplicabil pentru un arztor de debit redus, adecvate pentru implantarea valorificrii uleiurilor vegetale. Datele sunt pentru un raport dj/d0 i o temperatur de prenclzire a combustibilului de 900C. S-a efectuat determinarea timpului de ardere n corelaie cu lungimea flcrii, prin aplicarea modelului Spalding, relaia (6.4). Mrimea s-a ales egal cu cldura latent de vaporizare L. Mrimile fizice rezultate pentru aplicaiile numerice efectuate au avut valorile: - pentru uleiul de floarea soarelui: Hii = 39400 J/kg; L = 500 J/kg; mO2 = 0,23 kg/kg; = 3,48; cp = 1,86 J/(kg) - pentru mixtur ulei vegetal de floarea soarelui cu 40% motorin: Hii = 39900 J/kg; L = 480 J/kg; mO2 = 0,23 kg/kg; = 3,48; cp = 1,83 J/(kg); Tg Ts = 1100, = 0,18 W/(ms) n urma calculelor, a rezultat: - ulei floarea soarelui brut

3.9500

110086.148.323.0

50039400

=+=B

- pentru R0 = 40 m ( )( ) s24.33.91ln18.02

04.086.1915 2=

+

=

- pentru R0 = 50 m ( )( ) sa 25.43.91ln18.02

05.086.1915 2=

+

=

Calculele s-au efectuat pentru combustibili prenclzii la 800C , astfel c constantele prezentate n tabelul 6.1, au fost la valorile minime.

n tabelul 6.2 se prezint valorile timpului de ardere dup modelul de calcul Spalding, pentru o gam larg a diametrelor picturilor de uleiuri vegetale brute i respectiv mixate cu motorin (caracteristicile fizico chimice corespund celor din tabelul



Timpul de ardere pentru picturile de ulei vegetal

Tabelul 6.2

Combustibilul raza picturii, m 10 20 30 40 50 60

ulei floarea de floarea soarelui 0,23 0,81 1,82 3,24 4,25 7,29 ulei rapi 0,22 0,89 1,98 3,54 5,5 7,92 amestec ulei floarea soarelui 40% cu motorin

0,208

0,83

1,87

3,32

5,2

7,48

Datele obinute pot fi comparate cu cele din lucrarea [33] cu referire la combustibilul lichid fosil

uor tip M unde pentru timpul de ardere s-au obinut valorile: pentru R0 = 25 m, 34,0= s pentru R0 = 50 m 34,0= s

n figura 6.3 se prezint variaia timpului de ardere a uleiurilor vegetale brute de floarea soarelui i de rapi. Calculele au evideniat c cele dou uleiuri se comport foarte asemntor, uleiul de floarea soarelui fiind ns ntr-un uor avantaj.

Variatia timpului de ardere pentru uleiuri vegetale

0123456789

10 20 30 40 50 60Raza picaturii [m]

Tim

pul d

e ar

dere

[s]

rapitafloarea soarelui

Fig. 6.3. Variaia timpului de ardere pentru uleiurile brute in functie de raza particulei de combustibil



n figura 6.4 se prezint variaia timpului de ardere pentru un mixaj de 60% ulei brut de floarea

soarelui i 40% combustibil lichid uor din clasa M. Timpului de ardere pentru un amestec 60% ulei de floarea soarelui - 40% combustibil lichid usor tip M

012345678

0 20 40 60 80Raza particulei [m]

Timpu

l de a

rdere

[s]

Fig.6.4. Timpul de ardere pentru un mixaj 60% ulei de floarea soarelui i 40% combustibil lichid uor tip M cu raza particulelor de combustibil

Dac se consider o vitez medie a flcrii de 8 la 10 m/s n focar, pentru focare de dimensiuni

reduse cu lungimea de pn la 2 m, rezult n acest caz se cere o pulverizare foarte fin, cu diametru ntre 20 i 38 m, pentru toate categoriile de uleiuri vegetale brute sau mixate cu combustibili lichizi uori fosili.

Pentru focarele instalaiilor energetice de la puteri medii n sus, nu mai apar ns restricii asupra pulverizrii. Rezult, o mare disponibilitate pentru tehnologia cocombustie, n cazul tuturor instalaiilor energetice.

Rezultatele arderii sunt grupate n figura 6.5, n funcie de puterea termic a instalaiilor.

Fig.6.5.Recomandri privind calitatea pulverizrii n funcie de puterea termic a instalaiei ce

utilizeaz uleiuri vegetale brute sau mixate cu combustibili lichizi uori fosili

0

200

400

600

800

1000

1200

10 30 45 60

Pute

rea

term

ica

[kW

]

Raza particulei [m]



In concluzie alculele au indicat c valoarea timpului de ardere pentru picturile de uleiuri vegetale brute sau mixate cu combustibili fosili lichizi uori se afl n limitele de valorificare energetic pozitiv. Calculele s-au efectuat pentru sistemele de pulverizare mecanice, cu pomp, sisteme care se recomand pentru utilizarea acestor combustibili. Valorile obinute pentru timpul de ardere demonstreaz directa aplicabilitate a instalaiilor de pulverizare i ardere cu injectoare cu pulverizare mecanic, fr nici o alt modificare a instalaiilor construite iniial pentru combustibili lichizi fosili. Concluziile acestor studii i determinri matematice, vor fi verificate experimental, pe o instalaie de putere mic (50 kW), instalaie dotat cu un arztor monobloc cu prenclzire electric a combustibilului n domeniul 70 750C, cu pulverizare mecanic, pentru o presiune de pn la 16 bar.

CAPITOLUL 7. CERCETRI EXPERIMENTALE DE ARDERE A ULEIURILOR

VEGETALE BRUTE 7.1.Descrierea cazanului experimental Cercetrile i verificarea experimental s-au efectuat pe un cazan pilot, modelul Multiplex CL 50, aflat n dotarea laboratorului de Instalatii de ardere a Departamentului Termotehnic, Motoare, Echipamente termice i frigorifice, cazan fabricat de ctre firma Thermostahl, cu o putere termic de 50 -55 kW i este utilizat pentru nclzirea spaiilor de locuit, cu un volum total de pn la 1500 m3.

Reglarea arderii se realizeaz cu ajutorul ventilatorului de aer care este comandat de un tablou de comand i un mecanism care funcioneaz ca un termostat. Acesta, cnd apa este nc rece, permite ptrunderea aerului prin nia de admisie pentru aerul de ardere. Pe msur ce apa se nclzete n cazan, senzorul se dilat i nchide nia de admisie aer de ardere, n felul acesta realizndu-se controlul flcrii prin reducerea excesului de ardere.

valorii de 80C fr ca aceasta s coboare sub 60C.

Fig nr. 7.2. Cazanul pilot experimental, montat la sistemul de alimentare cu ap i de evacuare a gazelor de ardere

Pentru determinrile experimentale, instalaia de cazan a fost echipat cu urmtoarea instrumentaie, prezentat n figura 7.4. Msurtorile cuprind:

pentru determinarea sarcinii termice:

http://caz.mecen.pub.ro/http://caz.mecen.pub.ro/



- debitul de ap, msurat cu debitmetru Electric Hokushin Works; - temperatura de intrare i ieire a apei.

pentru calitatea arderii: - presiunea de pulverizare a combustibilului; - temperatura de prenclzire a combustibilului; - debitul de combustibil; - analiza gazelor de ardere (CO2, CO, SO2, NOx, exces de aer), efectuat cu un analizor

Multilyser NG, ce se integreaz n normele EN50379-2 i n directivele de mediu 98/336/EWG(EEC);

- temperatura gazelor de ardere la evacuarea din instalaie (la co); - temperatura n flacr (efectuat cu un pirometru de radiaie).

randamentul instalaiei de cazan

Fig. 7.4. Schema de amplasare a aparaturii de msur i control



7.2. Rezultatele testelor experimentale

Cercetrile experimentale s-au efectuat prin utilizarea instalaiei de cazan de 50 kW prezentat anterior, cu urmtoarele categorii de combustibil lichid:

ulei de floarea soarelui; ulei de rapi; ulei de floarea soarelui mixat cu

combustibil lichid tip M s-au testat urmtoarele rapoarte de mixare:

60% ulei de floarea soarelui +40% combustibil lichid uor

70% ulei de floarea soarelui +30% combustibil lichid uor

Temperatura apei de retur a fost reglat pentru Co60 si prin reglarea debitului apei de rcire s-a reglat sarcina termic.

Experimentrile au evideniat pentru toate situaiile o aprindere bun i o desfurare corespunztoare a procesului de ardere. Astfel, nu a fost determinat funingine n gazele de ardere evacuate la co i reziduuri sub form de funingine, iar emisiile poluante msurate cu analizorul de gaze Multilyzer, au fost n limitele impuse de legislaia de mediu pentru aceast categorie de combustibil i de instalaie termic pentru gama de puteri n care se integreaz.

Au fost efectuate 8 serii de msurtori, cu rezultatele prezentate n cele 8 fie de ataate n continuare. Aparatul de msur pentru componentele gazelor de ardere a fost setat pentru cel mai apropiat combustibil lichid asemntor celui utilizat.

Pentru compararea rezultatelor funcionrii mixturii de ulei vegetal fa de funcionarea cu combustibil lichid uor tip M, se pot utiliza fiele de msurtori nr.7 i nr.8. Nu s-au remarcat diferene sensibile pentru cele dou situaii de funcionare.

n figura 7.6. se prezint aspectul gazelor de ardere la evacuarea la co. Nu se evideniaz fum, caracteristic evacurii funinginei i altor reziduuri de combustibil. Temperatura ridicat, nu a permis condensarea vaporilor de ap n zona de ieire din co.



Fig. 7.6. Aspectul gazelor de ardere evacuate la co

Excesul de aer n flacr, reglat de la ventilatorul de aer al arztorului a fost n limitele existente

la utilizarea combustibililor lichizi, de 1,2 - 1,3, iar excesul de aer la co depinznd i de ptrunderea de aer fals n cazan.

Temperatura la coul cazanului a variat n limitele de 220 - 2950C. Pentru aceast temperatur a gazelor de ardere la co randamentul cazanului a fost de 78 88,4%.

Pentru a se realiza viscozitatea cerut de arztorul utilizat, respectiv valoarea de maximum 1,5 E, s-a demonstrat experimental necesitatea prenclzirii la temperaturi de 70 80 C, funcie de calitatea combustibilului.

Amestecurile cu combustibil lichid uor, n dozajele utilizate, au avut punctul de inflamabilitate apropiat de cel al motorinei.

Aceste observaii ntregesc concluzia general privind o aprindere corespunztoare i o ardere performant pentru toate cazurile experimentrilor.

n figurile 7.7 , 7.8 i 7.9 sunt prezentate aspecte din timpul efecturii experimentrilor. Alimentarea cu ulei sau cu mixtur ulei cu combustibil lichid uor s-a realizat din bidoane, n care s-au introdus cele dou conducte de tur i retur ale arztorului.

Pentru a evidenia mrimea flcrii i compatibilitatea acesteia cu focarul cazanului , aceasta a fost fotografiat n dezvoltare n aer liber prin bascularea uii frontale a cazanului (figura 7.9).

Mrimea obinut exprimat prin lungime i diametru, confirm rezultatele obinute prin calcule analitice n capitolele anterioare ( lungime 400 mm, lime 170 mm).



Departamentul TMETF Laboratorul Instalaii de Ardere i Cazane Data 15.10.2014

Fi msurtori nr.1 Cazan putere nominal 50 kW Combustibil ulei pur floarea soarelui

Nr.crt. Caracteristica funcional Msurtoarea UM 1 2 3

1 Putere termic kW 46 48 50 2 Debit combustibil lichid Kg/s 0,00140 0,00146 0,00152 3 Temperatura aer (ta) 0C 19 19 19 4 Temperatura la co (tev) 0C 279 282 284 5 Debit ap (ma) Kg/s 0,234 0,239 0,247 6 Temperatura ap la intrare (ti) 0C 9 9 9 7 Temperatura ap la ieire (te) 0C 56 57 57,3 8 Coninut O2 n gazele de ardere % 10,7 10,1 9,8 9 Emisia de CO ppm 254 242 230 10 Emisia de CO2 % 5,4 5,6 5,8 11 Emisia de NOx ppm 30 28 32 12 Emisia de SO2 ppm 15 17 13 13 Exces de aer la fine cazan 2,1 2,05 2,05 14 Tiraj hPa -0,01 -0,01 -0,01 15 Eficien cazan (randament) % 84 85 85 16 Ref O2 % 3 3 3 17 Funingine mg/m3 - - - 18 Reziduu combustibil mg/m3 - - - 19 Temperatur mediu exterior 0C 19 19 19 20 Temperatura de prenclzire

combustibil 0C 75 75 75

7.4.Concluzii Experimentrile efectuate au demonstrat posibilitatea utilizrii eficiente drept combustibil lichid

a uleiurilor vegetale mixate cu hidrocarburi lichide pentru producia de energie termic. Experimentrile au fost efectuate pentru o putere termic de maximum 55 kW, prin utilizarea unui arztor cu pulverizare mecanic.

Concluziile total pozitive obinute, permit extinderea aplicabilitii i la puteri termice medii i mari.

Pentru o ardere eficient s-a constatat necesitatea utilizrii prenclzirii mixturii de ulei cu hidrocarburi lichide uoare cel puin la 700C. Utilizarea unor arztoare cu prenclzitor inclus simplific



totul foarte mult. Presiunea de pulverizare se recomand s fie de minimum 12 bar, iar aerul s fie obligatoriu turbionat.

Toate aceste aspecte termogazodinamice, au demonstrat viabilitatea modelelor analitice dezvoltate n capitolele anterioare. Ca urmare, prin aplicarea acestora i pentru instalaii de alt putere se obine date viabile fr a mai fi nevoie de experimentri.

CAPITOLUL 8. ANALIZA ECONOMIC PRIVIND VALORIFICAREA ENERGETIC A ULEIURILOR DE PLANTE OLEAGINOASE 8.1. Energia primar, sigurana naional i protecia mediului Scopul i rolul sectorului energetic n ara noastr l constituie acoperirea necesitilor interne i contribuie la partea din PIB provenit din exporturi. Aceste obiective trebuie realizate pe un fond de dezvoltare durabil, inclusiv cu luarea n consideraie a siguranei naionale i cu asigurarea unui nivel de competitivitate n continu cretere. Pentru Romnia, situaia politic din conflictul ucrainean, a pus sub semnul ntrebrii ntreaga Strategie Energetic elaborat pn n anul 2035. O bun planificare a utilizrii energiei primare reprezint astzi un concept de management complex, care trebuie s rspund concomitent urmtoarelor direcii:

- acoperirea consumului naional i de export de energie; - realizarea unei energii la preuri competitive; - dezvoltarea regional durabil; - protecia mediului.

Utilizarea resurselor convenionale energetice beneficiaz astzi nc de multiple avantaje fa de resursele energetice regenerabile, sintetizate n:

- existena unor tehnologii mature de producie a energiei, cu costuri relativ sustenabile fa de o pia liberalizat;

- dependena foarte redus fa de factorii de clim; Resursele energetice regenerabile, conduc de regul la un cost mai ridicat n producerea de energie. Totui, n timp, se remarc o scdere continu a acestor costuri, care de regul pentru resursele energetice convenionale au o tendin contrarie. [65]. O cert demarcaie n aceast balan a costurilor o va realiza obiectivul de protecie a mediului. [64] 8.1.2. Produsele ce pot fi valorificate energetic n urma recoltrii, din punct de vedere energetic pot fi valorificate:

- tulpinile; - seminele - uleiul brut nerafinat.

Tulpinile au o asemnare din punct de vedere energetic cu lemnul. Ele pot fi arse sub form de vreascuri n cazane echipate cu grtar, sau sub form de toctur n cazane cu ardere n suspensie. Seminele pot fi arse n cazane echipate cu instalaii de ardere n strat fluidizat. Uleiul brut nerafinat, numit n continuare numai ulei brut este un combustibil lichid nou aprut pe piaa energetic, ardere sa fiind realizat pn n momentul de fa n ara noastr numai la stadiu de laborator. 8.2. Producia naional la cultura plantelor oleaginoase Se poate admite c un hectar de floarea soarelui, lucrat dup ultimele tehnologii, d o recolt de 2,5 t/ha i asigur i asigur obinerea a 1200 kg ulei, 800 kg de roturi (300 kg de proteine), 500 kg de coji (70 kg drojdii), 1500 kg calatidii (1000 kg de fn calitativ).



Aa cum s-a menionat la capitolul 2, preul kilogramului de semine a crescut sensibil n ultimii ani, de la 0,84 lei n anul 2007 la 1,74 lei n anul 2011, pentru anul 2014 fiind de 1,2 lei/kg. Din prelucrarea seminelor de floarea soarelui se obine circa 1000 1075 kg de ulei brut, ceea ce reprezint o proporie de 43 44%. n Romnia se nsmneaz n jur de 800 000 ha cu o producie anual de semine 1.600 000 2000 000 t. Romnia consum circa 300 000 t/an n sectorul alimentar. Restul este export reprezint valorificri n alte sectoare industriale. Cultura de rapi reprezint pentru ara noastr o suprafa de 800 000 1000 000 ha. Producia medie este de 2700 kg/ha (inclusiv pentru anul 2014). Preul pieei este de 1,2 lei/kg de semine. Cea mai mare parte din producia de ulei vegetal este destinat obinerii de biocombustibil pentru transporturi, utilizarea energetic fiind nesemnificativ, conform celor prezentate n capitolele anterioare. Cheltuielile pentru producia de oleaginoase n anul 2014 cuprind: (datele sunt obinute de la Direcia Agricol Dmbovia).

- pentru cultura de floarea soarelui: arat, discuire i semnat, circa 600 lei/ha; fertilizat, circa 700 lei/ha; smna, circa 200 lei/ha; recoltat, circa 200 lei/ha.

Aceste lucrri reprezint un cost mediu = 1700 lei/ha. n urma valorificrii rezult (pentru datele prezentate anterior)

ulei vegetal la preul pieii, circa 4000 lei/ha (s-a considerat o producie de 40% din producia de semine i un pre de desfacere de 4 lei/l);

tulpini valorificabile energetic, 300 lei/ha (s-a considerat o mas de 2000 kg/ha i un pre de 150 lei/t);

scrot, 400 lei/h. - pentru rapi

8.3. Aspecte economice privind utilizarea uleiurilor vegetale brute n producia de energie Conform datelor teoretice i experimentale, rezult urmtoarea schem de valorificare energetic a uleiurilor vegetale brute:

- ardere direct la instalaii termice de putere redus, cu aplicabilitate n special n nclzirea locuinelor;

- arderea direct la instalaii termice de putere medie, cu aplicabilitate n nclzirea rezidenial sau pentru procese tehnologice;

- ardere n cocombustie cu combustibili lichizi fosili, tehnologic recomandndu-se mixarea celor doi combustibili, cu proporia masic a uleiului vegetal de maximum 40%.

A - Economicitatea utilizrii uleiurilor vegetale n comparaie cu gazul natural la instalaii de putere termic redus Calculele privind nclzirea locuinelor arat c pentru o locuin standard de 100 m2 este nevoie de o cantitate anual de 2100 -2400 m3N de gaz natural. Cldura dezvoltat prin arderea gazului natural cu un randament de 90% se calculeaz cu relaia:

[ ]ankJBQQ ii /= unde: este randamentul, iiQ - puterea calorific a gazului natural, n kJ/m3N, B cantitatea de

combustibil, n m3N/an. Pentru gaz natural, puterea calorific inferioar este de 37 500 kJ/m3N. n urma calculelor se obine:



ankWhanGJQ /19586/87,702100375009,01 === ankWhanGJQ /22500/812400375009,02 === Pentru un cost de 1,5 lei/m3N, costul gazului natural va fi cuprins ntre 3150 i 3600 lei/an. Aceeai energie se obine prin ardere din urmtoarea cantitate de ulei vegetal brut:

[ ]skgQ

QB i

uleii

/2,12,1 =

Unde puterea calorific a uleiului s-a admis Qiiulei = 38500 kJ/kg, iar randamentul = 0,85 (a se vedea datele obinute experimental la capitolul 7).

ankgB /24753850085,01081 6

2 =

=

n continuare se vor face calculele economice ce vor cuprinde utilizarea uleiului la pre de fabric i la pre de presare, n comparaie cu utilizarea gazului natural i a combustibililor fosili lichizi. Costul combustibilului (Cc) considerat la pre de fabric la 3,3 lei/l = 4,1 lei/kg ( densitatea 800 kg/m3), va fi:

anleiCc /887621651,41 ==

anleiCc /1014724751,42 == Rezult clar un avantaj pentru nclzirea cu gaz natural, astfel c uleiul vegetal va fi competitiv numai pentru cazurile cnd se valorific ulei din producia proprie la preul sub cel rezultat din calculul de bilan de energie.[66].

uleii

inaturalgaz

naturalgazuleiec QQ

PC =,,

lleikgleiC uleiec /8,1/46,150038500375,1, ===

Acest pre economic din punct de vedere al nlocuirii gazului natural va fi analizat dac este posibil a fi obinut numai prin tehnologia de presare. Dac se consider o producie medie de semine de 2500 lei/ha i un grad de recuperare pentru ulei de 33%, pentru o tehnologie de autogospodrire de obinere a uleiului numai prin presare, costul pentru o unitate de ulei va fi (s-a utilizat datele prezentate n capitolul 8.2): [66],[67] ,[68] ,[69] ,[70],[71].

- producie de ulei prin presare - 825250033,0 = kg/ha; - costuri pentru producia agricol 1700 lei/ha; - costuri pentru procesarea prin presare 150 lei/ha. Total costuri pentru unitatea de ulei:

lleikgleic prulei /79,1/24,28251850

===

Documents

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI - … NICULESCU tot.pdf · universitatea politehnica bucuresti . facultatea energeticĂ. teza de doctorat . aspecte economice si tehnice pentru