Teza Final Biodiesel

UNIVERSITATEA "POLITEHNICA" TIMIOARA FACULTATEA DE MECANIC CATEDRA DE TERMOTEHNIC, MAINI TERMICE I AUTOVEHICULE RUTIERE

TEZ DE DOCTORAT:

STUDII I CERCETRI PRIVIND PREGTIREA TERMIC

A COMBUSTIBILULUI LICHID NECONVENIONAL PENTRU

FOLOSIREA LA MOTOARELE CU APRINDERE PRIN

COMPRIMARE CU INJECIE DIRECT

DOCTORAND:

Ing. Mihaela Elena BUCULEI

CONDUCTOR TIINIFIC:

Prof. Dr. Ing. Mihai NAGI

2012

Cuvnt nainte

Lucrarea

STUDII I CERCETRI PRIVIND PREGTIREA TERMIC A COMBUSTIBILULUI LICHID

NECONVENIONAL PENTRU FOLOSIREA LA MOTOARELE CU APRINDERE PRIN

COMPRIMARE CU INJECIE DIRECT are la baz activitatea de cercetare de peste

10 de ani a autoarei nceput la Universitatea din Craiova,Departamentul de

Autovehicule Rutiere. Ea a putut fi elaborat datorit climatului de cercetare

tiinific existent n Universitatea din Craiova i datorit colaborrii de peste 8

de ani a autoarei cu Catedra de Termotehnic, Maini Termice i Autovehicule

Rutiere, de la Facultatea de Mecanic, Universitatea Politehnica din Timioara.

mi exprim mulumirile i consideraia fa de D-l prof. dr. ing. Mihai NAGI,

conductorul tiinific al acestei lucrri pentru ntreaga activitate de ndrumare

tiinific i profesional.

Mulumesc referenilor, d-lui prof. dr. ing. Nicolae BURNETE, d-lui prof.

dr. ing. Dnil IORGA, d-lui prof. dr. ing. Marin BIC pentru atenia deosebit

cu care au lecturat manuscrisul, pentru observaiile i sugestiile fcute.

Mulumesc pe aceast cale tuturor colaboratorilor de la INMA Bucureti i

de la Facultatea de Chimie din Craiova, colectivului catedrei de T.M.T.A.R. de

la Universitatea Politehnica Timisoara pentru sugestiile fcute la susinerea

referatelor.

Timioara, februarie 2012 Mihaela Elena Buculei

AUTOAREA

CUPRINS

PREFA..........................................................................................................................1

CAPITOLUL 1

NOIUNI INTRODUCTIVE PRIVIND BIOCOMBUSTIBILII SI PROCEDEE DE

OBINERE A ACESTORA......... 4

1.1 Standarde pentru biocombustibili.................4

1.2 Tipuri de biocombustibili...........................................................................................8

1.3.Sisteme integrate de producere de biocombustibili, refacerea solurilor si

reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera din sol. ..............................................21

1.4.Tehnologii de obtinere a biodieselului.......................... .........................................23

1.5 Procedee de producere a biodieselului............... ..................................................25

1.5.1. Procedee discontinue..........................................................................................25

1.5.2. Procede continue................................................................................................ .26

1.5.3. Procedee fara catalizatori....................................................................................26

CAPITOLUL 2

STADIUL ACTUAL AL CERCETARILOR PRIVIND SISTEMELE DE

PRENCALZIRE ALE BIODIESELULUI LA MOTOARELE CU APRINDERE PRIN

COMPRIMARE........................... 29

2.1. Generalitati privind formarea amestecului si a arderii biodieselului..............29

2.2. Necesitatea preincalzirii bidieselului....................................................................31

2.3. Concluzii..........35

CAPITOLUL 3: DETERMINAREA EXPERIMENTAL A PROPRIETILOR FIZICO-

CHIMICE ALE COMBUSTIBILILOR DE TIP BIODIESEL............................................36

3.1.Condiii generale privind utilizarea combustibililor de tip diesel.......................36

3.2.Standarde privind combustibili diesel..................................................................37

3.3. Standarde combustibili de tip biodiesel...............................................................39

3.4. Determinri experimentale...................................................................................43

3.4.1. Masa specifica.....................................................................................................43

3.4.2. Viscozitatea.........................................................................................................44

3.4.3. Determinarea curbei de distilare la probele de biodiesel...................................47

3.4.4.Determinarea stabilitii la oxidare prin metoda Hadorn i Zurcher

(Rancimat).......................................................................................................48

3.4.5. Determinarea Indicelui de refracie cu refractometrul Abbe......................50

3.4.6. Determinarea Indicelui de aciditate ...........................................................53

3.4.7. Punctul de tulburare.....................................................................................54

3.4.8. Punctul de congelare.................................................................................... 55

3.4.9. Cifra Cetanic....................................................................................... .......56

3.4.10. Coninutul de fosfor................................................................................ ..57

3.4.11. Punctul de inflamabilitate...........................................................................57

3.4.12. Compoziia elementar...............................................................................59

3.4.13. Analize termice............................................................................................61

3.5.Rezultate i concluzii.........................................................................................63

3.5.1.Masa specifica.................................................................................................63

3.5.2.Viscozitatea.....................................................................................................64

3.5.3.Curba de distilare la probele de biodiesel....................................................66

3.5.4.Stabilitatea la oxidare prin metoda Hadorn i Zurcher (Rancimat).........66

3.5.5. Indicele de refracie ..................................................................................... 66

3.5.6. Indicelui de aciditate......................................................................................67

3.5.7. Punctul de tulburare......................................................................................68

3.5.8. Punctul de congelare.....................................................................................68

3.5.9. Cifra cetanic.................................................................................................69

3.5.10. Coninutul de fosfor....................................................................................70

3.5.11. Punctul de inflamabilitate...........................................................................70

3.5.12. Compoziia elementar................................................................................71

3.5.13. Analize termice.............................................................................................73

3.6. Concluzii..............................................................................................................74

CAPITOLUL 4

STUDII I CERCETRI EXPERIMENTALE PRIVIND PRENCLZIREA

BIODIESELULUI I INFLUENA PRENCLZIRII ACESTUIA ASUPRA NOXELOR

............................................. 76

4.1. Componenta standului experimental si a aparaturii folosite..........................76

4.2. Aparatura folosita la masuratori.......................................................................82

4.3. Masuratori efectuate..84

4.4. Simularea curgerii gazelor in amortizorul de zgomot si simularea transferului de

caldura in conducta de alimentare din cupru cu rol de preincalzire a

biocombustibilului.....................................................................................................100

4.5. Concluzii.105

CAPITOLUL 5

CERCETARI EXPERIMENTALE ASUPRA FUNCTIONARII MOTORULUI D115 CU

COMBUSTIBIL HIBRID MOTORINA- METILESTER DE

PALMIER..106

5.1. Cadrul tehnic de desfurare a ncercrilor.........106

5.2. Coninutul standard al ncercrilor..109

5.3. Datele calculate n timpul ncercrii.....112

5.4. Rezultatele ncercrii..... 118

5.5. Strategia ncercrilor......118

5.6. Concluzii.........131

CAPITOLUL 6

CONCLUZII GENERALE SI CONTRIBUTII PERSONALE ..... 134

6.1. Concluzii generale .............134

6.2. Avantajele si dezavantajele utilizarii biodieselului B20 din ulei de palmier

prenclzit.......134

6.3. Condiii pentru utilizarea biodieselului.............................................................135

6.4. Probleme uzuale n cazul operarii cu biodiesel pur:................................... 135

6.5. Concluzii privind prenclzirea biocombustibilului.......................................... 136

6.6. Contribuii personale ........................................................................................ 137

Bibliografie................................................................................................................ 138

Anexe......................................................................................................................... 146

LISTA ABREVIERILOR

1. [m2/s]; viscoziztatea cinematic.

2. K [mm2/s

2] constanta capilarei.

3. [s] timpul msurat.

4.n- indicele de refracie al lichidului analizat.

5. K- titrul soluiei de KOH 0,1N.

6. V [ml] - volumul de hidroxid folosit la titrare.

7. M [g]- masa de biodiesel folosit la titrare.

8. APId [grade API ]- densitatea combustibilului.

9. A- punctul de anilin al motorinei.

10. CC cifra cetanic.

11. mt [C.]- temperatura medie de fierbere a motorinei.

12. Td, - durata ntrzierii la autoaprindere.

13. Lp- distana de ptrundere.

14.b- limea jetului.

15. - unghiul de dispersie al jetului.

16.C- nucleul jetului, format din picturi de combustibil, a cror mrime descrete spre

exterior.

17.A- zona amestecurilor preformate inflamabile.

18.Z- zona amestecurilor srace neinflamabile, la exteriorul creia se gsete numai aer

( ).

19. taer [oC]- temperature atmosferic

20. paer [KPa]- presiunea atmosferic.

21. U [%]-umiditatea atmosferic relativ.

22. Pe, p [kW]- puterea efectiv a motorului.

23. Me,p [daNm] este momentul msurat la priz;

24. np [rot/min] este turaia arborelui prizei.

25. ce [g/kWh]- consumul specific efectiv de combustibil.

26. C [kg/h] este consumul orar de combustibil.

27. ps [kPa] este presiunea atmosferic a aerului uscat.

28. pvs = pvs(Tatm) [kPa]este presiunea vaporilor saturai de ap la temperatura Tatm, cu valori

extrase din tabele.

29. fa factorul atmosferic.

30. mc [g/ciclu]- doza medie de combustibil injectat n ciclul motor.

31. este numrul de timpi ai ciclului motor.

32. mcc, - doza de carburant corectat

33. Vt [l]este cilindreea total a motorului.

34. fm- factorul de motor.

35. c,- factorul de corecie a puterii.

36. f,- factorul de corecie a indicelui de fum.

37. Pec [kW]-puterea efectiv, corectat.

38. Mec [daNm] -momentul efectiv, corectat

39. cec[g/kWh] -consumul specific efectiv de combustibil, corectat

40. kc [m-1

]-indicele de fum, corectat

41. -abaterea standard empirica

LISTA FIGURILOR

Nr.crt. Denumirea figurii Pag.

1 Fig. 1.1. Evolutia noxelor in timp conform protocolului de la

Kyoto

7

2 Fig. 1.2. Necesarul mondial existent i estimat de petrol

comparativ cu producia existent i cea estimat

9

3 Fig. 1.3. Diagrama obinerii principalilor biocombustibili

10

4 Fig. 1.4. Alcooliza trigliceridelor

11

5 Fig. 1.5. Producerea de zaharuri i fermentarea lor prin hidroliz

enzimatic

13

6 Fig. 1.6. Principalele ri productoare de biocombustibili

14

7 Fig.1.7. Dinamica suprafeelor cultivate cu rapi n ultimii 10 ani

n Romnia

16

8 Fig.1.8. Reducerea emisiilor poluante 18

9 Fig. 1.9. Ciclu integrat de conversie biochimic i termochimic a

materialului vegetal n biocombustibili, amelioratori de sol, cldur i

energie electric

21

10 Fig. 1.10. Diagrama fluxului tehnologic pentru obtinerea

biodieselului

25

11 Fig. 1.11. Procedeul continuu cu reactor tubular

25

12 Fig 1.12. Reactor folosind aburi n contracurent

26

13 Fig. 1.13. Procedeul Biox 26

14 Fig. 1.14. Procedeul de esterificare la punct critic 27

15 Fig. 1.15. Procedeul de obinere a biodieselului cu catalizator

bazic

28


16 Fig. 1.16. Instalaia tehnologic CPU 1000 de producere a

biodieselului

28

17 Fig. 2.1. Filtru incalzitor tip Diesel-Therm

32

18 Fig. 2.2. nclzitor pentru motoarele camioanelor Volvo, licena

Volvo

32

19 Fig. 2.3. nclzitor tip Kaori 33

20 Fig. 2.4. Schema nclzitorului Kaori 33

21 Fig. 2.5. Principiul de funcionare al nclzitorului Kaori 33

22 Fig. 2.6. nclzitor Fuel Pro 384 Biodiesel cu Fluid Heater & 12

Volt Preheater

33

23 Fig. 2.7. Instalaie de prenclzire a aerului 34

24 Fig. 2.8. Instalaie de prenclzire a aerului

34

25 Fig. 3.1. Proprieti fizico-chimice ale combustibililor

36

26 Fig.3.2. Areometrul

43

27 Fig. 3.3. Aparat Ubbelohde pentru utilizat n experimentul

pentru determinarea viscozitii

45

28 Fig.3.4. Distribuia viscozitii cinematice a biodieselului din ulei

de pete, respectiv din ulei de palmier, n funcie de temperatur

46

29 Fig. 3.5. Curba de distilare pentru biodieselul obinut din ulei de

pete

47

30 Fig. 3.6. Curba de distilare pentru biodieselul obinut din ulei de

palmier

48


31 Fig. 3.7. Instalaia pentru determinarea stabilitii la oxidare a

biodieselului

49

32 Fig. 3.8 Stabilirea perioadei de inducie 49

33 Fig. 3.9. Perioada de inducie a probelor analizate

50

34 Fig. 3.10. Refractormetrul Abbe utilizat n determinarea indicelui

de refracie

52

35 Fig. 3.11. Dispozitivul utilizat pentru determinarea punctului de

tulburare i a punctului de congelare

54

36 Fig. 3.12. Spectrul de emisie a fosforului n proba de biodiesel

57

37 Fig. 3.13. Aparat Pensky-Martens cu cup nchis utilizat la

determinarea punctului de inflamabilitate

58

38 Fig. 3.14. Analizorul elementar COSTECH ECS 4010 CHNS-O

60

39 Fig. 3.15. Derivatograful Pyris Diamond TG/DTA utilizat n

analizele termice

61

40 Fig. 3.16. Termogram motorin 62

41 Fig. 3.17. Termogram biodiesel ulei de pete

62

42 Fig. 3.18. Termogram biodiesel ulei de palmier

63

13 Fig. 3.19 .Masa specific a probelor analizate

63

44 Fig. 3.20. Viscozitatea probelor analizate

64


45 Fig. 3.21. Variaia viscoziti la biodieselul din ulei de pete 65

46 Fig. 3.22. Variaia viscoziti la biodieselul din ulei de palmier 65

47 Fig. 3.23. Valorile indicelui de aciditate determinate pentru

biodieselul din ulei de pete respectiv palmier

67

48 Fig. 3.24. Valorile punctului de tulburare determinate pentru


68

49 Fig. 3.25. Valorile punctului de congelare determinate pentru


69

50 Fig. 3.26. Valorile cifrei cetanice determinate pentru biodieselul

din ulei de pete respectiv palmier

69

51 Fig. 3.27. Valorile punctului de inflamabilitate determinate pentru


70

52 Fig. 3.28. Valorile coninutului de carbon din probele de

biodiesel din ulei de pete, respectiv biodiesel din ulei de palmier,

analizate

71

53 Fig. 3.29. Valorile coninutului de hidrogen din probele de


analizate

72

54 Fig. 3.30. Valorile coninutului de oxigen din probele de


analizate

72

55 Fig. 4.1. Motorul cu aprindere prin comprimare pe cares-au

realizat experimentele

77

56 Fig . 4.2. Filtru biodiesel utilizat n experimente

79

57 Fig. 4.3. Filtru si carcasa filtru biodiesel

79

Nr.crt. Denumirea figurii

Pag.

58 Fig. 4.4. Serpentina de cupru montat n interiorul amortizorului

de zgomot

80

59 Fig. 4.5. Amortizor de zgomot secionat

80

60 Fig. 4.6. Amortizor de zgomot modificat cu serpentina de

prenclzire a biodieselului

80

61 Fig. 4.7. Serpentina cupru preinclzire

81

62 Fig. 4.8. Filtru al amortizorului de zgomot

81

63 Fig. 4.9. Poziionarea serpentinei n interiorul amortizorului de zgomot

81

64 Fig. 4.10. Aparat utilizat pentru msurarea noxelor

82

65 Fig. 4.11. Tahometrul digital DT-2234C

83

66 Fig. 4.12. Pirometrul professional

83

67 Fig. 4.13. Schema de msurare a temperaturii biodieselului i a

componentelor motorului cu pirometrul optic pe motorul de test

84

68 Fig. 4.14. Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu motorin

prenclzit

86

69 Fig. 4.15. Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu motorin

neprenclzit

86

70 Fig. 4.16. Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu biodiesel

de pete prenclzit

88

71 Fig. 4.17. Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu biodiesel

de pete neprenclzit

88


72 Fig. 4.18 Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu biodiesel

de palmier prenclzit

90

73 Fig. 4.19 Variaia temperaturilor n cazul alimentrii cu biodiesel

de palm. neprenclzit

90

74 Fig. 4.20 Variaia temperaturii de iesire a combustibilului pentru

motorin, biodiesel de pete i biodiesel de palmier

91

75 Fig . 4.21. Determinarea debitului de combustibil

91

76 Fig. 4.22. Variaia debitului pentru combustibilul prenclzit

92

77 Fig. 4.23. Emisii CO funcie de turaia arborelui cotit

96

78 Fig. 4.24 Emisii de CO2 funcie de turaia arborelui cotit

97

79 Fig. 4.25. Emisii de hidrocarburi funcie de turaia arborelui cotit

98

80 Fig. 4.26. Emisii de O2 funcie de turaia arborelui cotit

99

81 Fig. 4.27. Captur ecran din softul COSMOS FLOW , secvena-Stabilirea condiiilor generale

100

82 Fig. 4.28. Captur ecran din softul COSMOS FLOW, secvena -proprietaile aerului i biocombustibilului

101

83 Fig. 4.29. Captur ecran din softul COSMOS FLOW ,secvena -

definirea conditiilor limita pentru materialului din care e e

confectionat amortizorul de zgomot

101

84 Fig. 4.30. Captur ecran din softul COSMOS FLOW, secvena parametrilor termodinamici ai gazelor de ardere

102


85 Fig. 4.31. Captur ecran din softul COSMOS FLOW, secvena -domeniul de lucru al fluidului

102

86 Fig. 4.32. Captur ecran din softul COSMOS FLOW, secvena -distribuia temperaturii gazelor de ardere in amortizorul de zgomot

103

87 Fig. 4.33. Captur ecran din softul COSMOS FLOW ,secvena -Viteza gazelor

ardere si distributia temperaturii gazelor de ardere si a

temperaturii

biodieselului n serpentina din cupru

103

88 Fig. 4.34. Traseul parcurs de gazele de ardere in amortizor i distribuia presiunii lor

104

89 Fig. 4.35. Distribuia temperaturii biodieselului la intrare n conducta de cupru a biodieselului

104

90 Fig. 4.36. Distributia temperaturii biodieselului la ieirea din conducta

de cupru a biodieselului

105

91 Fig. 5.1. Imagine a standului mobil de frnare cu laminare

hidraulic

107

92 Fig. 5.2. Dispozitiv pentru msurarea consumului orar gravimetric

combustibil

108

93 Fig. 5.3. Opacimetru pentru determinarea opacitatii gazelor de

evacuare EUROGAS , 8020, SMOKE MODULE

108

94 Fig. 5.4. Vedere general a postului de ncercare. 109

95 Fig. 5.5. Variaia turatiei la priza de putere, momentului

efectiv,puterii effective la patm = 100,325 kPa tatm=28,4 C, U

= 39,0 %

121

96 Fig. 5.6. Reprezentarea momentului efectiv corectat, a puterii

efective corectate, a consumului de combustibil corectat si a

indicelui de fum corectat functie de turatia la priza de putere

conform Anexelor 21-24, ncercrile I2A

121

97 Fig. 5.7. Variaia turatiei la priza de putere, momentului efectiv ,

puterii efective n condiiile de mediu la patm = 100,528 kP,

tatm=28,3 C , U = 34,5 %

122


98 Fig. 5.8. Reprezentarea momentului efectiv corectat, a puterii


indicelui de fum corectat functie de turatia la priza de putere,

conform anexelor 21-24, ncercrile I2B

122


puterii efective n condiiile de mediu la patm = 100,524 kPa ,tatm =

27,8 C, U = 39,8 %

123

100 Fig.5.10. Reprezentarea momentului efectiv corectat, a puterii


indicelui de fum corectat functie de turatia la priza de putere,

conform anexelor 21-24, ncercrile I2C

123

101 Fig. 5.11. Variaia turaiei la priza de putere, momentului efectiv ,

puterii efective n condiiile de mediu patm = 100,551 kPa

tatm = 26,7 C, U = 47,1 %

124

102 Fig. 5.12. Variaia turatiei la priza de putere, momentului efectiv,

puterii efective n condiiile de mediu patm= 100,524 kPa , tatm=

26,4 C, U = 43,7 %

124


puterii efective n condiiile de mediu patm =100,511 kPa tatm =

25,4 C, U = 44,7%

125

104 Fig. 5.14. Variaia puterii efective, transmis la priza de putere,

corectat,Pepc [kW ]

126

105 Fig. 5.15. Variaia consumului specific efectiv de combustibil,

corectat,

cec [g/kWh], n cadrul ncercrilor I2.

(alimentare 80% motorin, 20% metilester de palmier

127

106 Fig. 5.16. Variaia coeficientului de absorbie a luminii n gazele

de evacuare (indicele de fum), corectat, kc [m-1

]

127

Nr.crt. Denumirea figurii

Pag.

107 Fig. 5.17. Comportarea medie a motorului de test la ncercrile I2.

(alimentare cu mixtur 20% metilester de palmier, 80% motorin)

128

108 Fig. 5.18. Variaiile momentului motor efectiv, Mepc [daNm]

fa de valorile de referin n dependen cu turaia

128

109 Fig. 5.19. Variaiile puterii efective, Pepc [kW] fa de valorile de

referin

129

110 Fig. 5.20. Variaiile consumului specific efectiv de combustibil,

cec [g/]

130

111 Fig. 5.21. Variaiile coeficientului de absorbie a luminii n

gazele de evacuare (indicele de fum), kc [m-1

]

130

LISTA TABELELOR

Nr.crt. Denumirea tabelului Pag.

1 Tabelul 1.1. Obiective ce trebuie indeplinite conform

protocolului de la Kyoto

5

2 Tabelul 1.2. Valorile EroEI pentru biocombustibili.

19

3 Tabelul 1.3. Proprietile principalelor materii prime

24

4 Tabelul 3.1. Standardul pentru motorina tip Euro Diesel

38

5 Tabelul 3.2. Standard EN 590 motorin

39

6 Tabelul 3.3. Standardul European pentru Biodiesel EN 14214

40

7 Tabelul 3.4. Specificaii standard pentru combustibil biodiesel

ASTM D6751

41

8 Tabelul 3.5. Proprietile compuilor din motorin i biodiesel

42

9 Tabelul 3.6. Masa specific determinat pentru

diferite tipuri de combustibili

44

10 Tabelul 3.7.Viscozitatea determinat pentru diferii

combustibili la 40oC

45

11 Tabelul 3.8. Variaia viscozitii n funcie de temperatur

46

12 Tabelul 3.9. Valorile Indicelui de refracie pentru probele de

biodiesel

52

13 Tabelul 3.10. Aciditatea probelor de biodiesel

53


14 Tabelul 3.11. Valoarea punctului de tulburare la probele

analizate

54

15 Tabelul 3.12. Valoarea punctului de congelare la probele

analizate

55

16 Tabelul 3.13. Cifra cetanic la probele analizate

56

17 Tabelul 3.14. Punct de inflamabilitate diferii combustibili 59

18 Tabelul 4.1. Principalele caracteristici ale motorului pe care s-

au realizat experimentele

78

19 Tabelul 4.2. Specificaii tehnice tahometru digital 82

20 Tabelul 4.3. Msurarea temperaturilor combustibilului cnd

motorul este alimentat cu motorin

85


motorul

este alimentat cu biodiesel de pete

87


motorul este alimentat cu biodiesel de palmier

89

23 Tabelul 4.6.Debitele combustibililor utilizati funcie de

turaia la mers n gol forat

92

24 Tabelul 4.7. Emisii gaze de ardere motorin fr prenclzire

93

25 Tabelul 4.8. Emisii gaze de ardere motorin cu prenclzire

93

26 Tabelul 4.9. Emisii gaze de ardere ardere la utilizarea B20

(20%Biodiesel palmier+80%Motorin) fr prenclzire

94


27 Tabelul 4.10. Emisii gaze de ardere la utilizarea B20

(20%Biodiesel palmier+80%Motorin) cu prenclzire

94


(20%Biodiesel pete+80%Motorin) fr prenclzire

95


(20%Biodiesel pete+80%Motorin) cu prenclzire

95

30 Tabelul 5.1. Caracteristicile funcionale ale frnei 107

31 Tabelul 5.2. Evoluia turaiei la priza de putere, momentului

efectiv, puterii efective, consumului specific efectiv de

combustibil i coeficientului de absorbie a luminii n gazele de

evacuare n condiiile de mediu: patm = 100,325 kP, tatm=28,4

C, U=39 %

146




evacuare n condiiile de mediu: patm = 100,528 kP, tatm=28,3

C , U = 34,5 %

147




evacuare n condiiile de mediu: patm = 100,524 kPa tatm =

27,8 C, U = 39,8 %

148




evacuare n condiiile de mediu patm = 100,551 kPa tatm = 26,7

C, U = 47,1 %

149




evacuare n condiiile 100,524 kPa , tatm = 26,4 C, U = 43,7

150





evacuare n condiiile de mediu100,511 kPa tatm = 25,4 C, U

= 44,7%

151

37 Tabelul 5.8.Evoluia turaiei la priza de putere, momentului



evacuare n condiiile de mediu 100,991 kPa tatm = 29,9 C, U

= 41,9 %

152




evacuare n condiiile de mediu 100,873 kPa , tatm = 29,8

C, U = 42,6 %

153




evacuare n condiiile de mediu patm = 100,924 kPa, tatm =

29,7 C, U = 42,4 %

154




evacuare n condiiile de mediu100,924 kPa, tatm = 31,7 C,

U = 39,0 %

155




evacuare n condiiile de mediu 100 ,858 kPa, tatm = 28,1

C, U = 40,4 %

156






30,5 C, U = 36,6 %

157





30,5 C, U = 35,4%

158




evacuare n condiiile de mediu patm = 100,815 kPa, tatm= 29,7

C, U = 40,1%

159





28,1 C, U = 39,6 %

160

46 Tabelul 5.17 . Evoluia turaiei la priza de putere, momentului




29,7 C, U = 35,9 %

161

47 Tabelul 5.18. Comportarea de referinta a motorului de test 162





15,4 C, U = 69,6%

164





evacuare n condiiile de mediu patm = 101,325 kPa, tatm = 15,4

C, U = 69,6%

165





15,4 C, U = 69,6%

166

51 Tabelul 5.22 Evoluiile momentului motor efectiv, transmis la

priza de putere,

corectat, Mepc [daNm]-ncercrile I2

167

52 Tabelul 5.23. Evoluiile puterii efective, transmis la priza de

putere,

corectat, Pepc [kW]-ncercrile I2

168

53 Tabelul 5.24. Evoluiile consumului specific efectiv de

combustibil, corectat,

cec [g/kWh]-ncercarile I2

169

54 Tabelul 5.25. Evoluiile coeficientului de absorbie a luminii n

gazele de evacuare

(indicele de fum), corectat, kc [m-1

]

170

55 Tabelul 5.26. Comportarea medie a motorului de test la

ncercrile I2

171

56 Tabelul 5.27. Variaiile momentului motor efectiv, Mepc

[daNm] , n cadrul

ncercrilor I2, fa de valorile de referin

172


57 Tabelul 5.28. Variaiile puterii efective, Pepc [kW] , n cadrul

ncercrilor I2 fa de valorile de referin.

173

58 Tabelul 5.29. Variaiile consumului specific efectiv de

combustibil, cec [g/kWh],

n cadrul ncercrilor I2 fa de valorile de referin.

174

59 Tabelul 5.30. Variaiile coeficientului de absorbie a

luminii n gazele de evacuare (indicele de fum), kc [m-1

],

n cadrul ncercrilor fa de valorile de referin.

175

1

PREFA

n condiiile schimbrilor climatice dramatice la nivel mondial i a scderii resurselor

natural petrolifere se contureaz necesitatea gsirii urgente a soluiilor alternative la combustibilii

folosii pentru autovehicule..

Nocivitatea noxelor este unul din scopurile urmrite deoarece HC hidrocarburile, nu au

un efect direct asupra sntii, cu excepia hidrocarburilor policiclice aromate, al cror caracter

cancerigen este demonstrat. S-a stabilit c aceste hidrocarburi nearse care sunt evacuate de

motoarele cu ardere intern au un rol important n formarea smogului fotochimic. Smogul

fotochimic reprezint o cea, caracteristic unor regiuni geografice (California, Tokyo).

Denumirea provine de la combinarea cuvintelor de origine englez smoke + fog i este produs n

atmosfer sub aciunea razelor solare, n special datorit hidrocarburilor i oxizilor de azot.

Smogul este iritant pentru ochi i mucoase, reduce mult vizibilitatea i este un pericol pentru

traficul rutier. Mecanismul de formare este generat de 13 reacii chimice catalizate de prezena

razelor solare [12].

Aldehidele sunt substane organice prezente n gazele de evacuare n proporie relativ

sczut pentru combustibili clasici de natur petrolier, dar cu o pondere mult mai mare pentru

combustibilii provenii din alcooli. Sunt substane iritante pentru organism, iar dintre acestea

formaldehida are un important potenial cancerigen.

CO (oxidul de carbon) are un efect toxic generat de fixarea hemoglobinei n snge prin

care se mpiedic alimentarea cu oxigen a creierului. O mare influen o are la persoanele

cardiace, care pot avea crize cardiace cu o frecven mult mai mare.

Oxizii de azot, NO i NO2, au efecte duntoare prin contribuia adus la formarea

smogului, precum i prin efect direct asupra omului. Principalele efecte sunt legate de fixarea

hemoglobinei.. De asenenea, oxizii de azot mpreun cu oxizii de sulf contribuie la formarea

ploilor acide.

Particulele nemetalice n special cele de funingine, sunt emise mai ales de motoarele cu

aprindere prin comprimare. Aceste particule pot fi inhalate n plmni, unele din ele putnd avea

i efect cancerigen.

Particulele de plumb au o aciune foarte duntoare asupra omului i este bine cunoscut

nc din antichitate. Concentraii sczute de plumb provoac tulburarea albuminelor i glucidelor,

2

atac rinichii i sistemele nervos i central. Intoxicaia cronic de Pb se numete saturnism i

provoac colit, insuficien renal,etc. Plumbul se gsete n combustibilii etilai pentru

motoarele cu aprindere prin scnteie. Bioxidul de carbon este prezent n aerul atmosferic, iar la

concentraii de pn la 3-4 la mie este util n procesul de fotosintez. Aspectul ngrijortor al

creterii concentraiei de bioxid de carbon este dat de apariia efectului de ser (reducerea

cantitii de energie radiate de pmnt ctre spaiul cosmic, datotorit reinerii cldurii n unele

gaze). Acest efect de ser poate conduce la creterea temperaturii medii la nivelul solului, iar

motoarele cu ardere intern au o mare pondere n creterea concentraiei de dioxid de carbon.

Dei cunoscute nc de la apariia motorului cu aprindere prin comprimare, soluiile

combustibilor alternativi au fost mai puin studiate n ceea ce privete optimizarea condiiilor lor

de pregtire pentru injecia n motor ntruct petrolul oferea o soluie la ndemn i studiile s-au

canalizat n aceast sfer de interes.

ntruct n condiiile actuale piaa autovehiculelor se confrunt cu poluarea i scderea

resurselor de petrol lucrarea de fa i-a propus o cercetare teoretic i experimental n acest

domeniu al biocombustibililor, viznd optimizarea condiiilor de pregtire a acestora pentru

injecie.

Lucrarea elaborat ca tez de doctorat este structurat n 6 capitole i bibliografie ce cuprinde

112 titluri cu cele mai reprezentative lucrri publicate n domeniu (inclusive cele publicate de

autoare). De asemenea, lucrarea este nsoit de 29 de anexe cu rezultate experimentale efectuate

de autoare.

n capitolul 1, Noiuni introductive privind biocombustibilii i procedee de obinere ale

acestora s-a realizat o sintez a tipurilor de biocombustibili utilizai la nivel mondial i diverse

tehnologii de obinere a acestora.

n capitolul 2, Stadiul actual al cercetrilor privind sistemele de prenclzire ale biodieselului

la motoarele cu aprindere prin comprimare s-a fcut o analiz i o sintez documentar a

cercetrilor i realizrilor tehnice obinute pn n prezent la nivel mondial. Abordarea ea fost

realizat din perspectiva optimizrii condiiilor termice ale biocombustibililor tiut fiind faptul ca

acetia au nevoie de pregtire termic naintea injectrii n cilindrii motorului, soluiile gsite

fiind att prin transfer de cldur ct i de tip electric.

n capitolul 3, Determinarea experimental a proprietilor fizico-chimice ale

combustibililor de tip biodiesel s-au determinat experimental principalele proprieti fizice i

3

chimice ale bidieselului din ulei de pete i ale biodieselului din ulei de palmier i influena

acestora asupra noxelor.

n capitolul 4, Studii i cercetri experimentale privind prenclzirea biodieselului i influena

prenclzirii acestuia asupra noxelor s-a prezentat metoda de prencalzire a biodieselului propus

n lucrare de autoare, msurarea noxelor pentru cele trei tipuri de combustibil folosii (motorin,

biodiesel din ulei de pete, biodiesel din ulei de palmier) i concluzii privind poluarea mediului

n contextul folosirii acestor combustibili.

n capitolul 5, Cercetri experimentale asupra funcionrii motorului de test cu combustibil

hibrid motorin-metilester de palmier s-a creat metodologia de msurare a momentului efectiv, a

puterii efective, a indicelui de fum i a consumului de combustibil n funcie de turaia la priza de

putere. Se realizeaz efectiv msurtorile n diverse condiii de mediu se concluzioneaz cu

privire la valorile obinute n comparaie cu folosirea clasic a motorinei.

n capitolul 6, Concluzii generale i contribuii personale s-au prezentat concluziile

generale, contribuiile originale i, n final, se expun direciile viitoare de cercetare pentru

extinderea i aprofundarea cercetrilor privind optimizarea calitilor biodieselului pentru

injecie.

Timioara, 2012 Ing. Mihaela Elena BUCULEI

4

CAPITOLUL 1

NOIUNI INTRODUCTIVE PRIVIND BIOCOMBUSTIBILII SI

PROCEDEE DE OBINERE ALE ACESTORA

1.1. Standarde pentru biocombustibili

Convenia-cadru a Naiunilor Unite privind schimbrile climatice i Protocolul de la

Kyoto asigur un cadru internaional privind abordarea schimbrilor climatice, definirea

obiectivelor i arat modul n care acestea pot fi atinse. United Nations Framework Convention

on Climate Change (UNFCCC) stabilete prin aceasta responsabiliti comune, dar difereniate

pentru rile dezvoltate i pentru cele n curs de dezvoltare, recunoscnd faptul c rile

industrializate trebuie s preia conducerea n lupta mpotriva schimbrilor climatice i efectelor

acestora. n fond, ele sunt responsabile de majoritatea acumulrii de gaze cu efect de ser din

atmosfer i dispun de resursele financiare i tehnologice necesare reducerii emisiilor lor [9].

Sub UNFCCC, semnatarii stabilesc programe naionale de reducere a emisiilor de gaze cu

efect de ser i depun rapoarte periodice. rilor industrializate semnatare, mai puin rilor n

curs de dezvoltare, li s-a cerut ca pn n 2000 s-i stabilizeze emisiile cu efect de ser la

nivelurile nregistrate n 1990, scop pe care l-au atins, ca grup. Semnatarii UNFCCC se reunesc

anual pentru a progresul i pentru a discuta msuri ulterioare, iar un numr de mecanisme de

monitorizare i de raportare la nivel internaional au fost nfiinate pentru a obine informaii

despre emisiile de gaze cu efect de ser.

Protocolul de la Kyoto stabilete limite obligatorii privind emisiile de gaze cu efect de

ser pentru rile industrializate. De asemenea, protocolul a introdus mecanisme inovatoare

bazate pe teoria schimbului aa numitele mecanisme flexibile prevzute de Protocolul de la

Kyoto pentru a pstra costurile legate de reducerea emisiilor ct mai mici cu putin. [9]

n cadrul protocolului, rilor industrializate, ca ansamblu, li se cere s-i reduc emisiile a

ase gaze cu efect de ser (CO2, metan, protoxid de azot, hidrofluorocarburi, perfluorocarburi i

exafluorur de sulf) cu aproximativ 5% sub nivelele nregistrate n 1990, pe parcursul primei

5

perioade de angajament cuprins ntre 2008-2012. S-a optat pentru o perioad de cinci ani, n

detrimentul unui an int unic, pentru a compensa fluctuaiile anuale ale emisiilor datorate unor

factori care nu pot fi controlai, precum condiiile meteo [94]. Protocolul nu prevede obiective de

emisii pentru rile n curs de dezvoltare.

Tabelul 1.1. Obiective ce trebuie indeplinite conform protocolului de la Kyoto

Contribuia fiecrui Stat Membru al UE-15 la

obiectivul de reducere colectiv cu 8% a emisiilor

din cadrul Protocolului de la Kyoto

Statele membre UE cu obiective individuale de

reducere a emisiilor n cadrul Protocolului de la

Kyoto

Austria -13% Bulgaria -8%

Belgia -7,5% Republica Ceh -8%

Danemarca -21% Estonia -8%

Finlanda 0% Ungaria -6%

Frana 0% Letonia -8%

Germania -21% Lituania -8%

Grecia +25% Polonia -6%

Irlanda +13% Romnia -8%

Italia -6,5% Republica Slovac -8%

Luxemburg -28% Slovenia -8%

rile de Jos -6%

Portugalia +27%

Spania +15%

Suedia +4%

Regatul Unit -12,5%

Cu excepia Ciprului i a Maltei, toate cele 12 ri care au aderat la UE din 2004 au

obiective individuale privind emisiile n cadrul Protocolului.

La sfritul anului 2005, emisiile UE-15 s-au situat cu 1,5% sub nivelul din 1990, n timp

ce emisiile combinate ale celor 27 de state membre s-au meninut la un nivel cu 7,9% mai jos

[86].

n decembrie 2008, statele membre UE au adoptat o serie de obiective ambiioase, ca

parte dintr-un pachet de msuri concrete de lupt mpotriva schimbrilor climatice.

6

Acestea includ un angajament de a reduce, pn n 2020, emisiile globale de gaze cu efect de ser

ale UE cu 20% fa de nivelurile din 1990 i de a crete cota energiei regenerabile n consumul de

energie cu 20% pe teritoriul UE. Fiecare stat membru are un obiectiv individual care reflect

potenialul su de a produce energie regenerabil. Obiectivul UE de reducere a emisiilor va crete

cu 30% dac alte ri dezvoltate sunt de acord s fac acelai lucru printr-un acord global.

La Conferinta Natiunilor Unite privind schimbarile climatice de la Copenhaga din 2009

liderii din majoritatea statelor lumii au incercat sa puna la punct strategia pe termen lung privind

controlul incalzirii globale [97,99].

Conform noilor tendinte conturate la nivel global, tarile dezvoltate ar trebui sa investeasca

n tehnologii verzi, cu ajutorul carora s reduc emisiile de gaze cu 25 30 la suta pn in 2020.

La rindul ei, UE isi propune atingerea acestei tinte numai daca i alte ri ii iau angajamente

similare.

Contextul in care se urmareste atingerea acestor deziderate vitale este complicat. Astfel, la

nivel global, China este cel mai mare emitator de gaze cu efect de ser. Pe locurile urmatoare se

claseaz SUA, UE, India si Japonia. Ca raspuns la inta de reducere a polurii naintat de

Uniunea Europeana, Coreea de Sud a anunat ca i-a propus s-i reduc emisiile la nivelul din

2005 sau cu 4 la sut mai jos de acesta pina in 2020. n acelai timp, Banca Mondial a oferit 1,1

miliarde de dolari pentru adaptarea Africii la schimbrile climatice.

Potrivit unui studiu publicat la jumtatea lunii noiembrie 2009, de Centrul de Cercetare

Economic i Social (ESRC) din Marea Britanie, emisiile de gaze cu efect de ser vor fi mai

mici cu 9%, la nivel mondial, fa de previziunile din 2012. Pe de alt parte, Organizaia

Meteorologic Mondial (OMM) a informat c, n 2008, concentraia gazelor cu efect de ser n

atmosfer a atins un nivel record, de 385,3 pri per milion (ppm), n cretere cu 2 ppm fa de

2007 [92].

7

Fig. 1.1. Evolutia noxelor in timp conform protocolului de la Kyoto

Totodat, ntr-o prognoz a International Energy Agency (IEA), se arat c emisiile

globale de gaze de sera urmau sa scad cu 2,5% n 2009, dup ce, n anii precedeni, au crescut

rapid. Schimbrile de clim rezult din acumularea gazelor, nu din simpla emitere a acestora, iar

o scdere permanent de 10% a emisiilor de gaze ar reduce volumul existent de gaze cu efect de

ser cu numai 0,1% n 2 ani i cu 2% pn n 2040.

n aceste circumstane, la Copenhaga, statele participante au ncercat s ajuna la un acord

pentru a prelungi angajamentele Protocolului de la Kyoto asupra climei, a crui prim faz expir

la sfritul anului 2012.

n SUA standardele referitoare la biocombustibili i produsele secundare ale producerii

acestora sunt: ASTM D-6751-02 care se refer la calitile B100, ASTM D 2709 referitor la ap

i sedimente, ASTM D-2500 punctul de tulburare, ASTM D 664 glicerina si ASTM D-6584

glicerina.

Potrivit Directivei Europene pentru Calitatea Combustibililor (FQD), un combustibil

trebuie s reduc emisiile cu cel puin 35% fa de combustibilii fosili pn n 2020 pentru a

conta n targetul de energii regenerabile. Formula de calcul include prile negative emisiile din

producie, transportare i procesare, din arderea plantei i altele i prile pozitive culturile de

8

plante pentru biocombustibili scad emisiile, fiind culturi agricole care, n sezonul de producie, au

capacitatea de a reduce nivelul de CO2 prin fotosintez sau nu, provin din rile arabe, precum

combustibilii fosili.

n accepiunea Asociaiei de Biocombustibili din Romnia [42] (A.B.R), producia intern

de biocombustibili trebuie s acopere cel puin cerinele transportului auto urban, dar s asigure i

autonomia energetic (combustibili pentru mainile agricole i de transport) din mediul rural.

Pentru aceast autonomie ar trebui lucrate 0,1 milioane hectare de teren arabil din cele 3 milioane

hectare disponibile, ceea ce nu pune probleme de ordin etic, ecologic, economic, etc., ci numai

probleme de capacitate a decidenilor de a gestiona criza alimentar i a preului combustibililor

petrolieri destinai transportului auto i mainilor din agricultur. Cu cca 0,5 milioane ha teren

arabil sar asigura ntreg necesarul de biocombustibili cerut de economia naional i, probabil

vor fi i unele disponibiliti pentru export

1.2. Tipuri de biocombustibili

Biocombustibilii [84], sunt combustibili pentru transport sub forma lichid sau gazoas,

produi din biomas. Biomasa este partea biodegradabil din produse, deeuri i reziduuri din

agricultur (inclusiv substante vegetale si animale), sectorul forestier i industria aferent i parte

din deeurile industriale i municipale.

Conform reglementrilor existente, numai produsele prezentate mai jos pot fi considerate

ca biocombustibili:

bioetanolul: etanol produs prin fermentaie din biomas i/sau din partea

biodegradabil a deeurilor;

biodiesel: un metil-ester produs prin transesterificare din ulei vegetal sau animal,

de calitatea dieselului;

biogaz: un combustibil gazos rezultat din biomasa i/sau din partea biodegradabil

a deeurilor, care poate fi purificat la calitatea gazului (natural) pur;

biometanol: metanol produs prin fermentaie din biomas i/sau din partea

biodegradabil a deeurilor;

biodimetileter: dimetilester produs din biomas;

9

bio-ETBE (etil-terto-butil-ester): ETBE este produs pe baz de bioetanol.

Procentul n volum de bio-ETBE socotit ca biocombustibil este de 47%;

bio-MTBE (metil-terto-butil-eter): un combustibil pe baz de biometanol.

Procentul n volum de bio-MTBE socotit ca biocombustibil este de 36%;

biocombustibilii sintetici: hidrocarburi sintetice sau amestecuri de hidrocarburi

sintetice care au fost produse din biomas;

biohidrogen: hidrogen extras din biomas i/sau din partea biodegradabila a

deeurilor, pentru a fi folosit ca biocombustibil;

ulei vegetal crud: ulei vegetal produs din culturile oleaginoase, prin presare,

extracie sau proceduri comparabile, brut sau rafinat, dar nemodificat chimic, atunci cnd este

compatibil cu motoarele la care este folosit si cnd este conform cerinelor normelor privind

noxele.

Sistemul cel mai utilizat pentru propulsarea mijloacelor de transport [51,52] este motorul

cu ardere intern. Motoarele cu ardere intern cu piston sunt cele mai folosite pentru mijloacele

de transport terestre i utilizeaz n prezent drept carburant hidrocarburile petroliere [99]. n

funcie de tipul motorului carburanii sunt: benzina pentru motoarele cu aprindere prin scnteie

(Otto), respectiv motorina pentru motoarele cu aprindere prin comprimare (Diesel) [13].

Fig. 1.2. Necesarul mondial existent i estimat de petrol comparativ cu producia existent i

cea estimat

Un dezavantaj major al motoarelor cu ardere interna este dependena acestora de

resursele limitate de hidrocarburi. Studiile efectuate n acest domeniu au demonstrat c, o data cu

10

dezvoltarea transportului auto bazat pe motoarele cu ardere intern, a crescut i necesitatea

producerii unei cantiti mai mari de carburani din hidrocarburi. Din pcate resursele de petrol,

pe care se bazeaz obinerea carburanilor auto, sunt limitate. O comparaie ntre necesarul de

produse petroliere i producia acestora pentru urmtorii ani este prezentat n figura 1.2. Dac

producia de carburani petrolieri prezint o pant descendent de-a lungul timpului, nu acelai

lucru se observ la necesarul de petrol, care crete odat cu dezvoltarea permanent a societii.

Diferena dintre cererea de petrol dictat de dezvoltarea, n principal, a transporturilor auto, i

disponibilul mpuinat datorit declinului produciei trebuie acoperit din alte surse, iar

biocombustibilii reprezint una din aceste surse. Principalul avantaj al biocombustibililor este

compatibilitatea lor cu soluiile tehnice larg utilizate actual i cu infrastructura existent (de

fabricare, transport i distribuie).

Biocombustibilii sunt, de asemenea, neutri din punct de vedere al efectului de ser. Se spune

despre un combustibil c este neutru atunci cnd nu se produce un surplus de CO2 n atmosfer

prin arderea lui. Biocombustibilii sunt neutri pentru c, la arderea lor, se elibereaz n atmosfer

cantitatea echivalent de bioxid de carbon care a fost fixat fotosintetic de plante cnd s-a produs

materia prim vegetal din care s-au obinut biocombustibilii.

Fig. 1.3. Diagrama obinerii principalilor biocombustibili.

Extinderea producerii si utilizrii biocombustibililor nu se datoreaz numai aspectelor

legate de reducerea efectului artificial de ser. Exist i aspecte ale producerii i utilizrii

biocombustibililor care sunt mai puin evidente la o analiz superficial. Preul petrolului,

excedentele agricole, volatilitatea zonei Orientului Mijlociu (principala zon exportatoare de

11

petrol), atitudinea Rusiei (principalul furnizor de gaze naturale) i dependena (de risip) de

energie au determinat guvernele europene (i ale celorlalte state industrializate) s stimuleze

producerea i utilizarea de biocombustibili. Principalii biocombustibili care sunt larg utilizai n

prezent sunt: uleiul crud (pentru motoarele cu aprindere prin comprimare neperfecionate, de pe

autocamioane i tractoare); biodieselul (pentru motoarele cu aprindere prin comprimare cu ramp

comun sau cu pomp duz); bioetanolul (pentru motoare Otto sau pentru amestecul cu motorin

sub forma de E-diesel); biometanolul (pentru motoare Otto i pentru producerea de biodiesel).

n fig. 1.3. este prezentat diagrama obinerii acestor biocombustibili.

Biodieselul este un amestec de esteri metilici ai uleiurilor vegetale [30], care se obine

printr-o serie de reacii de transesterificare. n general esterii acizilor grasi se pot obine prin

tehnologii de derivatizare chimic (esterificarea direct a acizilor grai rezultai ca subproduse la

fabricarea spunurilor sau rafinarea uleiurilor vegetale brute [43]) sau prin semisinteza (prin

alcooliza trigliceridelor naturale prezente n uleiuri vegetale i grsimi animale), [18, 21]. n cazul

utilizrii tehnologiilor de semisintez, esterii acizilor grasi se pot obine printr-un proces

necostisitor i eficient din gliceride cu coninut mare de acizi grai. Sinteza acestora implic

reacia de transesterificare a trigliceridelor coninute n surse de origine animal sau vegetal cu

alcooli C1-C4, obtinndu-se alchilesteri C1-C4 i glicerina brut ca subprodus. Reaciile de

alcooliz (metanoliz) a trigliceridelor pentru producerea de biodiesel sunt prezentate mai jos, n

fig. 1.4.

Fig. 1.4. Alcooliza trigliceridelor

12

n reacia de transesterificare de mai sus se pot utiliza o mare varietate de catalizatori cum

ar fi: catalizatori acizi, enzime, sruri metalice sau catalizatori alcalini. Se prefer catalizatorii

alcalini ca hidroxizii de sodiu sau de potasiu sau alcoxizi, datorit faptului ca sunt eficieni, se

separ uor din produsul de reacie i sunt compatibili cu sistemele tehnologice

convenionale.

Glicerina brut rezultat din procesul de tranesterificare se poate acidula, degresa i usca

parial sau complet. Calitatea glicerinei se poate mbunti prin distilare cu vapori, distilare la

vid, decolorare pe carbune, etc.

Procedeele sunt ns costisitoare i energofage (din apele glicerinoase se elimin apa prin

fierbere). Producerea de glicerin la fabricarea biodieselului a dezechilibrat deja piaa de glicerol

datorit excedentului introdus pe pia. Sunt necesare noi utilizri pentru glicerin, pentru a limita

efectele dezechilibrului produs pe pia datorit producerii de biodiesel.

Cercetrile privind obinerea combustibilului biodiesel s-au axat n principal pe

transesterificare grsimilor cu metanol, utilizarea etanolului pentru producerea de biodiesel prin

tranesterificare fiind puin studiat. Din punct de vedere al normelor de securitate a muncii i

pentru mediu, etanolul este mult mai convenabil dect metanolul. Metanolul este foarte toxic, nu

produce scnteie vizibil atunci cnd arde, este 100% miscibil cu apa i penetreaz pielea cu

uurin, genernd probleme grave pentru organisme i mediu [58].

Etanolul prezint n plus avantajul c se poate utiliza pentru a produce prin tranesterificare

un biodiesel prin utilizarea exclusiv a resurselor naturale regenerabile i a tehnologiilor

biochimice [36].

Bioetanolul se obine prin distilarea fermentatului unor zaharuri simple (glucoza,

maltoza, rafinoza). Aceste zaharuri simple se obin din:

- plante zaharifere (sfecla-de-zahr, trestie de zahar, sorg-zaharat);

- plante amidonoase (porumb, gru, cartof);

- material lignocelulozic (biomasa rezidual).

Amidonul i materialul lignocelulozic (de fapt hemiceluloze si celuloze) se transforma n

zaharuri simple prin procedee de degradare (hidroliz) enzimatic (fig.1.5). Soluia de zaharuri

fermentescibile se trateaz cu drojdie de bere (sau, n tehnologiile avansate cu bacterii

Zygomonas mobilis) i se las la fermentat. Fermentaia alcoolic dureaz 2-3 zile n cazul

drojdiilor, cteva ore n cazul bacteriilor. Vasele n care se produce fermentaia trebuie rcite,

13

deoarece prin fermentarea fiecrui kg de zahr fermentescibil se degaja 133 kcal. Bioxidul de

carbon format n acest timp poate fi colectat n gazometre (i ar trebui colectat pentru c altfel

contribuie negativ la efectul de ser).

Prin fermentaia alcoolic se produce un lichid, numit plmad, care conine pn la 18%

alcool, restul fiind ap, cantitai mici de glicerin, alcool propilic, butilic, amilic etc. Acest lichid

este supus unei prime distilri, n urma creia rezult etanolul brut, de 90% concentraie. Reziduul

de la distilare se numeste borhot i este folosit ca furaj, deoarece conine proteine, grsimi, etc.

Alcoolul brut este supus rectificrii, n coloana de rectificare, obinndu-se ca produs de distilare

un alcool de 95,6%, iar ca reziduu de distilare glicerina i fuzelul, un lichid uleios, format din

alcooli superiori (propilic, butilic, amilic).

Fig. 1.5. Producerea de zaharuri i fermentarea lor prin hidroliz enzimatic

Alcoolul de 95,6 % este un amestec azeotrop, cu punct de fierbere 78,15 oC; de aceea,

pentru obinerea unui alcool pur (alcool absolut, necesar pentru a fi utilizat ca bioetanol) nu se

poate recurge la nc o distilare (pentru ca azeotropul distil ca o substan pur), ci se aplic

metode speciale de deshidratare (de exemplu tratarea cu substane care se combin cu usurin cu

apa ca: oxidul de calciu, sulfat de calciu calcinat etc., urmat de distilare.

Producerea biocombustibililor [53] implic un lan ntreg, care pornete cu fermierul care

cultiv planta energetic i sfrete la pompa de combustibil. n lume, principalele ri

producatoare de biocombustibili sunt: Brazilia (bioetanol din trestie de zahr); SUA (bioetanol

din porumb); China (bioetanol din sorg); Uniunea Europeana (biodiesel din rapi). n fig. 1.6

sunt prezentate principalele zone productoare de biocombustibili.

14

Fig. 1.6. Principalele ri productoare de biocombustibili

Principalele culturi energetice pentru Romnia sunt: rapia, floarea-soarelui (cu coninut

ridicat de acid oleic), sorgul zaharat i porumbul.

Dintre plantele de cultur de mai sus condiiile cele mai favorabile le au n Romnia

floarea-soarelui (Helianthus annuus L.) i porumbul (Zea mays L.) Floarea-soarelui ns produce

un ulei alimentar cu o bun acceptabilitate n rndul populaiei, iar excedentul de semine i

gsete rapid valorificarea pe pieele externe. Porumbul are de asemenea multe alte ntrebuinri,

iar interesul pentru producerea de bioetanol este mic att n rndul productorilor de combustibili

ct i al agricultorilor. Considerente fiscale (nivelul ridicat de accizare al alcoolului, lipsa unor

structuri eficiente de colectare a veniturilor statului) fac ca bioetanolul s nu beneficieze nc de

nici un fel de faciliti fiscale - ceea ce reduce din start interesul pentru acest biocombustibil.

Oricum, planta cea mai convenabil pentru producerea de bioetanol n condiiile

Romniei este sorgul zaharat. Sorgul zaharat este cultivat n ultimii 25 de ani numai

experimental n Romnia.

Sorgul zaharat este o planta anual asemanatoare cu porumbul, foarte rezistent la secet,

cu un ciclu vegetativ rapid, cu exigene mult mai reduse pentru ngraminte n comparaie cu

porumbul.

Principalele argumente n sprijinul extinderii cultivarii i industrializrii integrale a

sorgului zaharat n Romnia sunt:

eficientizarea suprafeelor extinse de teren agricol neexploatate sau ineficiente prin

culturi masive de sorg si crearea de noi locuri de munca;

15

cultivarea sorgului poate produce cantiti foarte mari de biomas (80-120 t/ha) cu

coninut de 15-30% zahar (5-7 t zahar/ha), materie prima regenerabil pentru industria chimic,

petrochimic, agricultur, industria alimentar, farmaceutic i altele.

prin industrializarea total a sorgului se pot obine: bioetanol (biocombustibil

pentru mijloace de transport, utilaje agricole mobile si fixe), sirop, oet i alcool alimentar,

celuloz i hrtie, acid acetic si etilen, fibre naturale, proteine vegetale, furaje pentru zootehnie,

etc.;

biocarburantul produs din sorg este ecologic, contribuind la reducerea emisiilor de

bioxid de carbon, principalul responsabil pentru efectul de ser suferit de atmosfera terestr n

ultima perioad;

tehnologiile industriale pot utiliza instalaii existente sau puin adaptate din

industria chimic, nu produc deeuri toxice sau reziduuri neutilizabile.

Conform estimrilor tehnico-economice, n Romnia s-ar putea produce bioetanol din

sorg zaharat prin tehnologiile convenionale, la un pre total mai mic de 200 euro pe ton, inclusiv

taxe vamale, costul transportului, comisioane, etc., pre concurenial pe piaa european, n cazul

obtinerii unei producii de circa 5 tone etanol la

hectar. mpreun cu producia de ulei de rapi, estimat la o ton la hectar, cele dou tipuri de

biocombustibil completeaz spectrul necesarului energetic al fermelor agricole, cele doua specii

de plante fiind complementare n asolamentul culturilor agricole.

Reziduul sau pulpa (bagasa) ramas dupa extracia sucului dulce din tulpini contine

celuloza n proportie de circa 31-35% si o serie de alte glucide convertibile n bioetanol dupa

hidroliza enzimatic cu enzime specifice.

Uniunea Europeana este ns o zon cu preponderen a biodieselului. Pentru biodiesel

cultura de baz este rapia. Pe plan mondial, n anul 2004, suprafaa cultivat cu rapi a fost de

27.558 mii ha, pe plan european de 857 mii ha, iar n ara noastr suprafeele cultivate cu rapia

au fost de 83 mii ha.

Producia mondial de rapi este n cretere, dupa rapoartele FAO au fost obinute 36 de

milioane de tone n sezonul 2003-2004 si 46 milioane tone n 2004-2005.

16

n Romnia rapia s-a cultivat pe suprafee mai mari nainte de primul razboi mondial i

ntre cele doua razboaie mondiale. Astfel, n anul 1913, ea a ocupat 80,38 mii ha, iar n anul 1930

cca. 77,32 mii ha. Zone de favorabilitate:

zona foarte favorabil (zff): partea de vest i de est a rii, Podiul Transilvaniei i

zonele colinare adapostite;

zona favorabil (zf): partea de sud a rii, n condiii de irigare.

Este de ateptat ca suprafeele cultivate cu rapi sa se extind i mai mult n viitor i, din

aceasta perspectiv, este necesar o evaluarea corespunztoare a impactului produs de aceast

extindere asupra mediului n general i asupra solului, n special.

La fabricarea biocombustibililor rezult urmtoarele produse secundare:

Biodiesel din rapi: glicerin i roturi de rapi;

Bioetanol din sorg zaharat: bagasa de sorg (tulpini de sorg stoarse de zahr)

i drojdie de fermentaie / borhot;

Bioetanol din porumb: borhot de porumb i drojdie de fermentaie.

Fig.

1.7. Dinamica suprafeelor cultivate cu rapi n ultimii 10 ani n Romnia

17

Aplicarea Directivei 2003/30/EC (publicat n Official Journal of the European Union, L

123/42, din 17.05.2003) la nivelul Romniei implic un necesar de circa 400.000 tone de

biodiesel - necesar care genereaz concomitent peste 200.000 tone de glicerin i peste 500.000

tone de roturi de rapi, roturile de rapi nu pot fi folosite n proporii mari n hrana animalelor

(conin tioglicozizi goitrogeni i urme de acid erucic cardiotoxic), iar glicerina, dei este un

produs valoros, nu are utilizri care s acopere toat cantitatea (care va fi produs).

Soluia tehnologic clasic de recuperare a glicerinei presupune distilarea apei la presiune

normal, urmat de distilarea glicerinei sub vid i purificarea final prin filtrare. Pe o instalaie

Crown Iron Works (recunoscut ca fiind una dintre cele mai eficiente) consumurile de abur sunt

de 612 kg abur 6 bar pentru 450 kg glicerina farmaceutic i 45 kg glicerin sub-standard.

Costurile energetice (la o cldur specific de 2257kJ/kg abur si 35700 kJ/Nm3 de gaz metan) se

menin sub valoarea de 1000 lei, adica sub 2.5% din valoarea de piat a produsului. Creterea

previzibil a costurilor energiei (practic dublarea lor) va menine costurile energetice sub valoarea

de 5% din valoarea de pia, meninnd procedeul viabil din punct de vedere economic. Problema

nu este ns cea a costurilor energetice a recuperrii glicerinei. O instalaie de tipul celei

menionate cost milioane de euro i este furnizat dupa 12-18 luni de la lansarea comenzii ferme

- pentru a recupera un produs care este oricum excedentar n Uniunea Europeana.

Producerea n Romnia a circa 500 milioane de tone de bioetanol [62] din sorg zaharat va

genera peste 1 milion tone de bagas. Folosirea bagasei ca surs de hran pentru rumegatoare nu

este foarte recomandat pentru ca bagasa de sorg zaharat favorizeaz producerea de metan (gaz

cu efect de sera mai pronunat dect bioxidul de carbon).

Sunt necesare noi abordri, care s permit noi utilizari ale acestor sub-produse rezultate

de la fabricarea biodieselului [73].

Glicerina brut / apele glicerinoase rezultate de la fabricarea biodieselului poate intra n

componena unor amelioratori de sol (mpreuna cu hidroxid de sodiu i acid acetic sau catalizator

i acid citric) care se aplic prin pulverizare pe soluri. Acest tip de produs ajut la dezvoltarea

plantelor, reducnd agresivitatea solurilor acide si stimulnd dezvoltarea microorganismelor

benefice (de ex. fixatori de azot). De asemenea, regenereaz solul, faciliteaz absorbia

substanelor nutritive n esuturile plantelor i contribuie la sporirea recoltelor. Tratamentul

18

solurilor nisipoase cu un astfel de ameliorator pe baz de glicerin brut, urmat de irigarea

acestuia, permite retenia umiditii timp ndelungat.

Apele glicerinoase pot fi utilizate i ca adjuvant la aplicarea produselor agrochimice

condiionate ca pulberi de prfuit i, n special, a pesticidelor granulate, transformnd

ingredientele active solide sub form de pulberi n particule fine, lipicioase, foarte adecvate

pentru aplicri de refacere a structurii solului.

Valorificarea optim (din punct de vedere a protecie solului) a surplusului de biomas

rezultat din culturile tehnice folosite pentru producerea de biocombustibili este compostarea lor

i utilizarea compostului ca ameliorator de sol.

Rezult astfel creterea emisiilor de gaze cu efect de ser din sol datorit extinderii

produciei de biocombustibili.

Utilizarea composturilor rezultate din resturile vegetale ale culturilor tehnice folosite

pentru fabricarea biocombustibililor trebuie analizat i sub aspectul producerii de gaze cu efect

de ser. Oricum, culturile energetice pentru biocombustibili determin i o cretere a gazelor cu

efect de ser din agricultur. Aceste culturi tehnice produc i ele gaze de ser i, n special,

protoxid de azot.

Fig. 1.8. Reducerea emisiilor poluante (rou - n funcie de eficiena global de

producere; albastru - n funcie de capacitatea culturii de fixare de CO2)

19

n afara acestor aspecte, care in de eficiena global a producerii de biocombustibili, mai

trebuie luate n considerare i aspectele care in de valoarea EroEI a biocombustibililor (ERoEI

= Cta energie se obine din energia investit).

Pentru a extrage un baril de petrol, a-l prelucra si a-l transporta acolo unde este nevoie de

el, se folosete ntre a aizecia parte i a zecea parte din energia acelui baril. Cu alte cuvinte, ca s

se extrag, s se prelucreze i s se transporte 10 barili de petrol se consum ntre 0,17 si 1 baril

de petrol. Estimrile precaute ale ERoEI pentru energia cu care funcioneaz economia noastr

actual sunt mult peste 10:1 (cu o mare parte a economiei funcionnd n jurul lui 30:1).

La determinarea EroEI cad cele mai multe alternative energetice dup o simpl

examinare. Hidrogenul comercial este un bun exemplu despre cum s consumi mai mult energie

dect produci. Sursa cea mai comun pentru hidrogen este gazul natural. Gazul natural este tratat

cu abur. Aburul este obinut prin fierberea apei folosind i mai mult gaz natural, petrol, carbune,

prin ardere producndu-se de bioxid de carbon cu efect de ser. Bunul sim spune ca hidrogenul

comercial produs din gaze naturale nu este o soluie de reducere a emisiilor de gaze cu efect de

ser.

Biocombustibilii au un ERoEI mic, dac se ia n calcul i eficiena motoarelor (TTW -

tank to wheel) atunci, eficiena energetic a biodieselului din alge se aproprie de cea a benzinei.

Tabelul 1.2. Valorile EroEI pentru biocombustibili.

WTT TTW WTW

Benzina 10 0.3 3.0

Biodiesel din rapita 3.2 0.45 1.44

Biodiesel din uleiuri alimentare uzate 5 0.45 2.25

Biodiesel din alge >5 0.45 >2.25

Bioetanol din amidon de porumb 1.34 0.3 0.402

Bioetanol celuloza (iarba grasa) 2.2 0.3 0.66

Hidrogen din gaz natural 0.528 0.405 0.214

20

n tabelul 1.2 , s-au facut notaiile:

WTW - eficiena producerii i distribuirii;

TTW - eficiena motorului cu ardere intern;

WTW- eficiena de producere, distribuire i utilizare.

n cazul combustibililor trebuie luate n considerare i mrimea suprafeelor care trebuie

cultivate. 1 ha de rapi produce circa 1 tona de biodiesel. Un camion pentru un singur drum

Bucureti-Timioara (550 km la 25 litri/100 km) consum 137,5 litri de motorin. Un singur

drum, un singur TIR = 0,137 ha cultivate timp de un an.

Din motivele prezentate mai sus (impact negativ asupra mediului i, n special asupra

solului, intensificarea producerii de gaze cu efect de ser din sol) soluiile optime din punct de

vedere ecologic sunt sistemele integrate, n care sunt urmrite concomitent producerea de

biocombustibili, refacerea solurilor i reducerea emisiilor de gaze cu efect de ser din sol.

1.3. Sisteme integrate de producere de biocombustibili, refacerea solurilor i

reducerea emisiilor de gaze cu efect de sera din sol.

Aceste sisteme se bazeaz pe (bio)conversia multipl a co-produselor rezultate de la

fabricarea biocombustibililor i implic:

un procedeu de utilizare a bagasei de sorg pentru producerea de bagas

comestibila lignocelulozic;

un bioproces de conversie a substratului pentru cultivarea ciupercilor in

amelioratori de sol cu eticheta ecologic;

o instalaie nou creat pentru producerea amelioratorilor de sol ;

bioproduse cu eliberare controlat pe baza tulpinilor biologic active de Bacillus

subtilis si Trichoderma viride;

cultivarea microorganismelor pe medii avnd ca surs de carbon apa glicerinoas;

un proces inovativ de condiionare a produselor biologice prin coacervare;

biopesticide pe baza tulpinilor active de Bacillus subtilis, Burkholderia cepacia,

Trichoderma viride, procesul de cultivare a microorganismului pe medii cu pe apa glicerinoas;

condiionare pe bagas de sorg sterilizat prin iradiere gamma;

21

biofertilizani pe baza de Rhizobium spp., Pseudomonas fluorescens, Azospirillum

spp., rezultai de la procesul de cultivare al microorganismelor pe medii cu apa glicerinoas i

(vii) condiionare pe bagas de sorg sterilizat prin iradiere gamma;

un bioinsecticid volatil produs printr-un proces de extracie a glucozinolatilor de la

roturi de rapita.

n fig. 1.9 este prezentat un alt proces integrat de fabricare a biocombustibililor, din care

rezult inclusiv amelioratori de sol. Procedeul implic un proces biochimic, de solubilizare a

carbohidrailor din biomas i procedee termochimic, de distilare uscat i de gazeifiere a

materialelor vegetale care nu sunt hidrolizabile enzimatic. Din procesul de distilare uscat rezult

un crbune vegetal cu proprieti foarte bune de absorbie, care este folosit pentru absorbia

gazelor poluante (NOx si SOx) emise de termocentrale (cu generarea unui fertilizant N-S cu

eliberare controlat).

Fig. 1.9. Ciclu integrat de conversie biochimic i termochimic a materialului vegetal

n biocombustibili, amelioratori de sol, cldur i energie electric

22

De menionat c subprodusele rezultate la distilarea bioetanolului fabricat din fermentarea

zaharurilor hidrolizate din biomas sunt i ele valorificate, prin producerea de biogaz i de

compost.

Ultimele tipuri de sisteme integrate care vor fi prezente aici sunt cele care iau n

considerare fixarea de ctre alge a bioxidului de carbon n vederea producerii de biodiesel,

biopesticide si amelioratori de sol.

n perioada anilor '80, Departamentul Energiei al SUA a finanat considerabil activiti de

C-D din "Programul speciilor acvatice", pentru producerea de carburani din cianobacterii sau din

microalge (biodiesel) pe scar mare, n sisteme consacrate. Acest efort a culminat cu operarea

unei instalaii pilot pe 0,2 ha in Roswell, New Mexico, cnd s-a demonstrat capacitatea tulpinilor

selectate de alge/cianobacterii de a fixa foarte eficient CO2 n bazine joase agitate de roi cu pale.

n timpul anilor '90, Japonia a sponsorizat RITE (Cercetari pentru Tehnologii Inovative

ale Pamntului), fiind fcut un foarte mare efort de C-D privind cianobacteriile / microalgele

utilizate pentru fixarea CO2 din gazele de ardere de la termocentrale i reducerea GHG, cu

accentul pe folosirea fotobioreactoarelor nchise cu diferite modele, n special din fibr optic i

producerea unor produse secundare cu valoare mare. n final, s-a dovedit c bazinele deschise

(majoritatea de tipul celor joase agitate de roi cu pale) constituie o metod de producie cu cost

mai eficient dect fotobioreactoarele.

Europa este, de asemenea, o parte din eforturile de cercetare a diminurii impactului GHG

prin fixare cu cianobacterii / microalge. Se vor prezenta aici cteva exemple. EniTecnologie

(Italia) a dezvoltat n 2005 un sistem pilot pentru utilizarea CO2 fosil emis de la o termocentral

NGCC pentru a produce biomas cianobacterian.

n cadrul reelei EUREKA, proiectul BIOFIX E3650, Institutul de Microbiologie de la

Academia Ceh de tiine, Institutul pentru Cercetarea Carburanilor de la Praga i Institutul

pentru Procesarea Cerealelor, departamentul Alge din Germania au nceput, pe 1 ianuarie 2006,

un proiect pentru utilizarea CO2 din gazele de ardere pentru creterea recoltei produse de

microalge.

Un studiu de fezabilitate a nceput recent (n vara anului 2005) la Universitatea

Internaional Bremen.

23

Proiectul va investiga perspectiva dezvoltrii unui sistem fotosintetic pe scar larg pentru

controlul gazelor de ser. Scopul este utilizarea cianobacteriilor ca sechestrani naturali pentru

emisiile de CO2 de la o termocentral pe carbune EON Ruhrgas de 350 MW la Bremen.

Toate aceste noi cercetri sunt menite s dezvolte noi ci de fixare (eficient i

sigur pentru mediu) a bioxidului de carbon, n paralel cu producerea de biocombustibili.

1.4. Tehnologii de obinere a biodieselului

Biodieselul exist de peste 100 de ani, de cnd la Expoziia Mondial de la Paris n 1900,

Dr Rudolf Diesel, inventatorul motorului diesel a pus n funciune primul motor care funciona cu

un combustibil derivat din uleiul de alun-biodieselul original.

Biodieselul a fost implementat n Africa de Sud nainte de cel de-al doilea rzboi mondial

pentru funcionarea motoarelor vehiculelor grele. La mijlocul anilor 70 penuria de combustibil a

readus n actualitate biodieselul ca alternativ la motorin.

n 1991 Comunitatea Europeana a propus o taxa de 90% pentru utilizarea

biocombustibililor incluznd biodieselul.

Astzi, ngrijorarea crescnd n legtur cu schimbrile climatice, calitatea din ce n ce

mai slab a aerului i a apei i consideraii serioase legate de sntatea uman sunt surse de

impuls pentru utilizarea biocombustibililor, ca o surs mai curat din punct de vedere al noxelor

i prin urmare a ncalzirii globale.

Biocombustibilii cei mai cunoscui n prezent sunt biodieselul (obinut din plante

oleaginoase precum rapia i floarea soarelui) i bioetanolul (obinut din zahr i amidon,

respectiv din recoltele de sfecl i cereale).

Aceti doi combustibili de transport lichizi au capacitatea de a nlocui, n mare msur,

motorina i benzina.

Cercetarea este pe cale s descopere tehnici de producie de a doua generaie care pot

produce biocombustibili din materiale lemnoase, din ierburi i unele tipuri de deeuri.

AVANTAJE BIODIESEL:

Este biodegradabil, reduce emisiile cu 50%; emisiile sale de hidrocarbon i dioxid de

carbon sunt neutre, este sigur (punctul de aprindere este de 1700C), este uor de amestecat cu

motorina obinuit

24

METODA:

Biodieselul se formeaz ca urmare a unei reacii chimice numit transesterificare, ceea ce

nseamn c glicerolul din ulei e substituit de alcool n prezena unui catalizator.

Cu ajutorul metodei se produce un biodiesel de calitate.

Materia prim folosit la fabricarea biodieselului trebuie s rspund cerinelor minimale

exprimate n standardul EN 14214, conform celor prezentate n tabelul.1.3.

Tabelul 1.3. Proprietile principalelor materii prime

DENUMIRE CERIN VALOARE DUP EN 14214

Trigliceride 99,1-99,4%

Coninutul de fosfor Maxim 20 mg/Kg

Acizi grai liberi (FFA) Maxim 1,5%

Nesaponificabile Maxim 2%

Polimerii Maxim 2%

Reziduuri Maxim 0,1%

Coninutul de ap Maxim 0,1%

Numrul iodin (g/100g) Maxim 120

Solide (particule mrime

25

Cu toate c la nceputul reaciei este necesar o amestecare puternic pentru a aduce n

contact uleiul, catalizatorul i alcoolul, la sfritul reaciei, o amestecare mai uoar mrete

randamentul reaciei, datorit separrii glicerolului. Randamentele sunt de 85-95%.

Fig. 1.10. Diagrama fluxului tehnologic pentru obtinerea biodieselului

1.5.2. Procede continue

Procedeul continuu [92] este o variaie a procesului pe arje i folosete mai multe

reactoare cu amestector n serie. Aceste reactoare pot avea volume diferite pentru a permite o

meninere mai ndelungat a amestecului i deci, un timp de reacie mai mare. Randamentul

reaciei n primul reactor este de obicei destul de mare, iar n cel de-al doilea reacia este foarte

rapid, cu transformare de peste 98% [4].

Fig. 1.11. Procedeul continuu cu reactor tubular

26

Fig 1.12. Reactor folosind aburi n contracurent

1.5.3. Procedee fr catalizatori

Procedeul Biox

Acest procedeu folosete ca solvent, tetrahidrofuran (THT), pentru solubilizarea

metanolului. Rezultatul este o reacie rapid, cu timp de 5 -10 minute, i se difereniaz de

celelalte metode prin faptul c nu exist reziduu catalitic. THT este ales ca co-solvent deoarece

are punctul de fierbere foarte apropiat de cel al metanolul. Dup ce reacia este

complet, excesul de metanol i tetrahidrofuran este recuperat ntr-o singur etap. Sistemul

necesit o temperatur relativ mic.

Fig. 1.13. Procedeul Biox

27

Procedeul supercritic

Un astfel de procedeu a fost utilizat n Japonia [60]: un amestec de ulei i metanol n

exces a fost supus timp de 3 minute la temperaturi i presiuni foarte ridicate, formndu-se esteri i

glicerol. Produii rezultai trebuie rcii imediat pentru a evita descompunerea lor. Reactorul

folosit a avut ns dimensiuni reduse 5ml, i a fost introdus n metal topit, dup care rcit.

Rezultatele sunt foarte interesante, dar mrirea la scar a acestuia este foarte dificil. n fig.1.14.

este prezentat configuraia unui procedeu de esterificare la punct critic.

Fig. 1.14. Procedeul de esterificare la punct critic

Procedeul de obinere a biodieselului cu catalizator bazic

Acest procedeu are dou puncte separate de intrare a materiei prime. Dac uleiurile

obinute au mai puin de 2,5% acizi grai liberi, esterificarea nu este necesar.

Lucrrile de cercetare au artat posibilitatea sintezei biodieselului prin transesterificare n

cataliza bazic omogen a trigliceridelor coninute n uleiul de rapi, cu metanol, cu formarea

esterilor metilici ai acizilor grai din ulei.

Date tehnice:

se obine biodiesel [25] din grasimi de origine vegetal si animal precum i din

uleiuri uzate;

produce 1000 litri de biodiesel /or;

efectueaz testarea calitii biodieselului naintea livrrii [88].

28

Fig. 1.15. Procedeul de obinere a biodieselului cu catalizator bazic

Fig. 1.16. Instalaia tehnologic CPU 1000 de producere a biodieselului [101]

29

CAPITOLUL 2

STADIUL ACTUAL AL CERCETRILOR PRIVIND

SISTEMELE DE PRENCLZIRE ALE BIODIESELULUI

LA MOTOARELE CU APRINDERE PRIN COMPRIMARE

2.1. Generaliti privind formarea amestecului i a arderii biodieselului

Parametrii eseniali ce caracterizeaz procesul de injecie i definesc cel mai bine

calitile unui echipament de injecie sunt: doza de combustibil injectat pe ciclu, presiunea de

injecie, durata de injecie i caracteristica de injecie [56].

Doza ciclic de combustibil Qi reprezint cantitatea de combustibil introdus n cilindrul

motorului, la un anumit regim de funcionare, n timpul unui ciclu motor.

Presiunea de injecie reprezint presiunea combustibilului din amontele orificiului de

pulverizare. n timpul procesului de injecie presiunea este variabil.

Presiunea la care ncepe injecia combustibilului n cilindru se numete presiune iniial de

injecie sau presiune de deschidere a acului pulverizatorului (cnd orificiile de pulverizare sunt

controlate de o supap n form de ac). Presiunea maxim de injecie depete de 1.55 ori

presiunea iniial de injecie, la sisteme cu pomp de injecie pentru toate injectoarele iar la

pompa-injector presiunea poate fi cu mult mai mare.

Arderea biodieselului n motorul cu aprindere prin comprimare se face cu aer n exces

(=1.11.6); amestecul aer combustibil este srac.

Pentru formarea unui amestec aer-combustibil ct mai omogen, biodieselul trebuie

pulverizat n picturi foarte mici, vaporizat rapid i amestecat intim cu aerul admis n motor.

ntruct biodieselul se vaporizeaz relativ greu, pulverizarea trebuie fcut ct mai fin posibil.

Pulverizarea ct mai fin a biodieselului se obine prin injecia acestuia n camera de ardere a

motorului, utiliznd n acest scop un echipament de injecie format, n cel mai general caz, din

pomp de injecie, conduct de injecie i injector, biodieselul fiind n prealabil fitrat cu filtru

special pentru biodiesel i prenclzit.

Biodieselul este introdus n camera de ardere a motorului n form de jet, prin intermediul

injectorului. Jetul de biodiesel se caracterizeaz prin patru parametrii fundamentali: fineea

pulverizrii, omogenitatea pulverizrii, penetraia i unghiul de dispersie. Parametrii menionai

30

constituie caracteristicile jetului; acestea depind de caracteristicile constructive i funcionale ale

echipamentului de injecie i de starea tehnic a acestuia.

Fineea pulverizrii reprezint gradul de frmiare a jetului de biodiesel n particule i

se apreciaz prin diametrul mediu al acestora. Cu ct diametrul mediu al picturilor de biodiesel

este mai mic, cu att fineea pulverizrii este mai nalt. Diametrul mediu este cu att mai mic, cu

ct diametrul orificiului de pulverizare din injector (pulverizator) este mai mic i cu ct viteza

prin acest orificiu este mai mare. De asemenea, pulverizatorul cu mai multe orificii determin o

finee mai nalt a pulverizrii.

Prin omogenitatea pulverizrii se nelege frecvena de apariie a unor picturi cu

diametre cuprinse ntr-un interval determinat, centrat n jurul diametrului mediu. Omogenitatea

este maxim cnd toate picturile din jetul pulverizat au acelai diametru (pulverizarea este

perfect).

Penetraia jetului reprezint distana parcurs de partea frontal a jetului ntr-un timp

determinat. Penetraia optim se realizeaz atunci cnd jetul de biodiesel strbate ntreaga camer

de ardere fr s ating pereii reci ai cilindrului i fr s apar zone periferice cu a

Documents

Teza Final Biodiesel