Nalazite se na CroRIS probnoj okolini. Ovdje evidentirani podaci neće biti pohranjeni u Informacijskom sustavu znanosti RH. Ako je ovo greška, CroRIS produkcijskoj okolini moguće je pristupi putem poveznice www.croris.hr
izvor podataka: crosbi !

Numeričko-eksperimentalna analiza prikladnosti korištenja poljoprivredne biomase u toplovodnim kotlovima (CROSBI ID 436512)

Ocjenski rad | doktorska disertacija

Horvat, Ivan Numeričko-eksperimentalna analiza prikladnosti korištenja poljoprivredne biomase u toplovodnim kotlovima / Dović, Damir (mentor); Zagreb, Fakultet strojarstva i brodogradnje, . 2020

Podaci o odgovornosti

Horvat, Ivan

Dović, Damir

hrvatski

Numeričko-eksperimentalna analiza prikladnosti korištenja poljoprivredne biomase u toplovodnim kotlovima

Trenutno biomasa zauzima najveći udio u obnovljivim izvorima energije koji sudjeluju u ukupnoj potrošnji primarne energije u EU. Direktno izgaranje biomase u formi drva je ujedno i najstariji izvor energije poznat čovjeku. Izgaranje svih krutih goriva, pa tako i biomase, u ložištima kućanskih uređaja predstavlja značajan izvor onečišćenja okoliša. To se posebno odnosi na emisije hlapivih organskih spojeva (VOC), policikličkih aromatskih ugljikovodika (PAH) i čestica (PM). Tako smo nerijetko, a naročito tijekom zimskih mjeseci, suočeni s povećanim udjelom sitnih lebdećih čestica u atmosferi. Brojna su istraživanja pokazala da postoji uska veza između izloženosti povećanim udjelima navedenih spojeva te srčanih, krvožilnih i plućnih bolesti, a kao glavni izvori smatraju se promet (naročito dizelski motori) i izgaranje krutog goriva. Osim navedenih, izgaranjem biomase javljaju se i značajne emisije ugljikovog monoksida (CO) i dušikovih oksida (NOx), a možemo isto pretpostaviti i za dioksine i furane. Danas, zbog ostvarenog napretka u tehnologiji i razumijevanju procesa izgaranja biomase, njeno iskorištavanje direktnim izgaranjem doživljava ponovni rast. Najniže emisije štetnih tvari postižu se izgaranjem peletirane biomase. Pelet čine komprimirana vlakna drveta s jako malom količinom vode. Sve stroži ekološki zahtjevi EU, naročito u pogledu emisija štetnih tvari, zahtijevaju kontinuirani razvoj novih konstrukcija toplovodnih kotlova koji kao gorivo koriste neki oblik krute biomase. Prilikom stupanja na snagu, Direktiva o ekološkom razvoju proizvoda smanjila je za toplovodne kotlove koji kao gorivo koriste krutu biomasu maksimalno dozvoljene emisije ugljikovog monoksida šest puta te emisije organskih plinovitih spojeva (OGC) i prašine četiri puta. Osim navedenog, uvedena je i granična vrijednost emisija dušikovih oksida. U cilju postizanja niskih emisija polutanta, za izgaranje potrebno je koristiti kvalitetne pelete. Kvaliteta peleta u EU izražava se ENplus Certifikatom koji razvrstava pelete u različite klase A1, A2, i B (za drvne pelete) te A i B (za nedrvne pelete). Prepreka širem korištenju drvnog peleta, a naročito kvalitetnog (klase A1) je njegova cijena koja je na tržištu RH veća od cijene plina. Ovdje valja napomenuti i činjenicu da je certifikacija peleta dobrovoljna, tako da velik dio peleta dostupnog na tržištu, a i onog iz kućne radinosti ne zadovoljava niti zahtjevima za klasu A2. Emisije štetnih tvari postaju još veći problem ako se umjesto klasične drvne biomase koriste razni ostaci iz poljoprivredne proizvodnje, koji postaju sve traženija vrsta goriva zbog svoje niske cijene (26% jeftiniji u odnosu na prirodni plin). Pojam „razni ostaci“ se prvenstveno odnosi na žetveni ostatak ratarskih kultura koji su u pravilu sporedni produkt u poljoprivrednoj proizvodnji. Mala energetska gustoća (ogrjevna vrijednost/volumen) slamnatog materijala u osnovnoj formi otežava njihovu primjenjivost za izgaranje u kućanskim ložištima. Zbog toga slamnati materijal u obliku peleta ima puno veći potencijal za takav način korištenja. Za razliku od izgaranja klasične drvne biomase, izgaranje ostataka iz poljoprivredne proizvodnje povezano je s nekoliko izazova. Glavni izazovi su povezani uz značajno veće emisije polutanata (to se naročito odnosi na ugljikov monoksid, dušikove okside i prašinu, a može pretpostaviti isto za dioksine i furane), nižu toplinsku učinkovitost za istu snagu te problemi vezani uz taljenje pepela. Kao najznačajniji problem, uz puno veću količinu pepela prisutnog u gorivu, javlja se njegova niska temperatura taljenja. Isto može rezultirati ozbiljnim problemima u radu, što uključuje taloženje i aglomeraciju na rešetci (na taj način utječe na dobavu zraka za izgaranje) i stijenkama za izmjenu topline (smanjenje snage i korozija). Ovo istraživanje odnosi se na rješavanje prethodno navedenih problema za toplovodne kotlove manjih snaga koji se koriste u rezidencijalnom sektoru. Sam rad se može podijeliti u tri dijela. U prvom dijelu eksperimentalno su istražena fizikalna i kemijska svojstva poljoprivredne biomase te njezine karakteristike prilikom izgaranja u toplovodnom kotlu. Dobiveni rezultati uspoređeni su s onima dobivenim za drvne pelete te su utvrđene značajne razlike u svojstvima i karakteristikama prilikom izgaranja. Slijedom toga odabrani su peleti iz slame uljane repice kao, iz tehničkog aspekta, najprikladnijeg goriva za izgaranje u kućanskom toplovodnim kotlovima. U drugom dijelu, s ciljem boljeg razumijevanja i određivanja mjesta intenzivnijeg odvijanja kemijskih procesa izgaranja unutar kotla, provedeno je numeričko modeliranje procesa izgaranja u programskom paketu Ansys Fluent. Numerički model je validiran za slučaj izgaranja peletirane drvne biomase. Za razliku od ostalih modela dostupnih u literaturi, razvijeni model ne koristi korisnički definirane funkcije (UDF) te je kao takav, upravo zbog svoje dostupnosti i jednostavnosti, prikladniji za korištenje u industriji. Temeljem tog modela određena su temperaturna polja i strujanje dimnih plinova kao i područja intenzivnijeg odvijanja kemijskih reakcija izgaranja. Također dobivene su spoznaje o mehanizmima nastajanja tih polja odnosno parametrima koji utječu na intenziviranje brzine reakcija (parametri turbulencija, temperatura, udio neizgorenih plinova). Pri tome se pretpostavilo da će zaključci dobiveni za drvnu biomasu vrijediti i za peletirane ostatke iz poljoprivredne proizvodnje. U trećem dijelu je slijedom rezultata dobivenih iz prvog i drugog dijela dano ukupno devet smjernica za izradu prototipa komercijalnog kotla na biomasu iz poljoprivrednih ostataka, od kojih su dvije analizirane numerički i eksperimentalno. Numeričke simulacije predloženih konstrukcijskih smjernica validirane su eksperimentalno za slučaj drvne biomase te su poboljšanja eksperimentalno kvantificirana za slučaj biomase iz poljoprivrednih ostataka. Za oba slučaja utvrđena su smanjenja emisija ugljikovog monoksida, dušikovih oksida i prašine.

Numerička simulacija izgaranja biomase ; peleti iz poljoprivredne biomase ; smanjenje emisija polutanata

nije evidentirano

engleski

Numerical-experimental suitability analysis of using agricultural biomass in hot water boilers

nije evidentirano

Numerical modeling of biomass combustion process ; Pellets from agricultural residues ; pollutant emission reduction

nije evidentirano

Podaci o izdanju

219

29.10.2020.

obranjeno

Podaci o ustanovi koja je dodijelila akademski stupanj

Fakultet strojarstva i brodogradnje

Zagreb

Povezanost rada

Strojarstvo