بخشی از مقاله
چکیده
در میان سوخت های بیولوژیک ما یع و گازی، بیواویل به علت فراوانی منابع تولیدی از جایگاه ویژه ای برخوردار است. در این تحقیق سوخت بیواویل به روش پیرولیز سریع و با استفاده از یک رآکتور بستر سیال، از خاک اره - ذرات چوب - تولید گردید. فرآیند پیرولیز سریع در نرخ جریان گاز نیتروژن 100 ml/min با نرخ حرارت 10 C/min، حرارت نهایی 500 C و نرخ تغذیه 1kg/h انجام گرفت و عملکرد بیواویل %25 وزنی ماده اولیه بود . آزمون امولسیون %20 - بیواویل و %80 گازوئیل - و گازوئیل خالص، بر روی موتور دیزل OM 314 LA انجام شد . نتایج حاکی از این واقعیت بود که استارت و روشن شدن موتور با مشکل انجام می شود.
بعد از گذشت مدت زمان حدود 20 دقیقه، گرفتگی کامل فیلتر سوخت و خوردگی قطعات سیستم سوخترسانی از جمله سوزن ها، نازل ها و پمپ انژکتور مشاهده گردید . در تمامی دورها ی موتور 1200rpm - ، 1400، 1600، 1800، 2000 و - 2200، دمای اگزوز و مصرف س وخت امولسیون نسبت به گازوئیل خالص افزایش پیدا کرد که ناشی از پایین بودن عدد ستان و ارزش حرارتی بیواویل است . پیشنهاد می شود کیفیت احتراقی و شیمیایی بیواویبل بهبود داده شود و قطعات سیستم سوخت رسانی از مواد مقاوم به خوردگی ساخته شود و یا بیواویل در انواع مشعل ها مورد استفاده قرار گیرد.
کلمات کلیدی: بیواویل، پیرولیز، سوختهای جایگزین، موتور دیزل
مقدمه
بیواویل یکی از انواع سوخت های بیولوژیک است که در چند دهه اخیر توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است. بیواویل به سوخت مایعی گفته می شود که از طریق فرآین دهای ترموشیمایی پیرولیز، مایع سازسی و گازسازی از بیومس و بدست می آید. فرآیند پیرولیز شکست حرارتی مولکولهای بزرگ و تبدیل آنها به مولکولهای کوچکتر در غیاب اکسیژن است که به سه روش پیرولیز سریع، پیرولیز آهسته و پیرولیز خلأ انجام می گیرد. بیواویل بر خلاف بیواتانول و بیومتانول که از تخمیر مواد آلی قندی بدست می آیند و بیودیزل که از انواع روغن های گیاهی یا چربی حیوانی تولید می شود، از هر ماده آلی قابل استحصال می باشد[Bertoli et al., 2000]، این ویژگی یکی از مزایای اصلی سوخت بیواویل نسبت به سایر سوخت های بیولوژیک می باشد.[Memoier, 2003]
تفاوت اصلی بیواویل با سوخت های فسیلی در محتوای اکسیژن آن می باشد زیرا بیواویل حاوی 30 تا 40 درصد وزنی اکسیژن می باشد، در حالیکه سوخت های فسیلی فاقد اکسیژن می باشند. وجود اکسیژن در ساختار مولکولی بیواویل، باعث کاهش انتشار ذرات معلق می گردد. محتویات گوگرد موجود در این سوخت در حد صفر است در حالیکه گازوئیل حاوی گوگرد بوده و باعث کاهش انتشار آلاینده ها به هنگام استفاده در موتور دیزل می شود. به طور کلی سوخت بیواویل دوست دار محیط زیست بوده و سوختی پاک بشمار می آید.[Roy et al., 1998]خواص سوخت بیواویل تا حدودی با سوخت گازوئیل متداول متفاوت بوده و برای استفاده از آن به صورت خالص در موتور دیزل لازم است تغییراتی در موتور دیزل و مخصوصاً سیستم انژکتور به وجود آورد .
در صورت عدم ایجاد تغییر در ساختار موتور لازم است که از امولسیون بیواویل با گازوئیل استفاده گردد[Chiaramonti et al., 2005]، یا ساختار آن از طریق مواد افزودنی اصلاح شود . مثلا جهت اصلاح عدد پایین سوخت بیواویل می توان آنرا با سوختهای دارای عدد ستان بالا مخلوط کرد. بیواویل ارزش حرارتی پایین تری نسبت به گازوئیل دارد که باعث می شود برای رسیدن به قدرت مساوی در موتور، سوخت بیشتری مصرف شود . چگالی و ویسکوزیته بیواویل نسبت به گازوئیل بالاتر می باشد. نقطه روشنایی بیواویل نسبت به سوخت گازوئیل متداول بالاتر است که این به لحاظ ایمنی در مواقع حمل و نقل سوخت حائز اهمیت می باشد.
سوخت بیواویل با گازوئیل قابل مخلوط شدن نیست و امولسیون آن با گازوئیل با استفاده از مواد افزودنی مانند انواع هایپرمرها قابل تهیه است . درصورت استفاده از بیواویل بصورت امولسیون با گازوئیل در موتور دیزل نیازی به اصلاح ساختار موتور نیست و کافی است تا قطعات سیستم انژکتور از فولاد محکم و ی ا مواد مقاوم به خوردگی ساخته شوند. همچنین استفاده از سطوح مختلف امولسیون در موتور دیزل، انتشار بسیاری از آلاینده ها نظیر CO و NOx را کاهش میدهد[Chiaramonti et al., 2003] و .[Bridgwater et al., 1999]
مواد و روشها تولید سوخت بیواویل
روش تولید بیواویل در مقایسه با سایر سوخت های بیولوژیک، بر پایهتجزیه حرارتی بوده که معمولاً به روش پیرولیز بدست می آید.[Bridgwater et al., 1991] در این تحقیق از روش پیرولیز سریع برای تولید سوخت بیواویل استفاده شد. به منظور فراهم کردن شرایط مناسب برای فرآیند تجزیه حرارتی و همچن ین استحصال سوخت مایع بیواویل در روش پیرولیز سریع، تجهیزات و شرایط خاص حرارتی، مورد نیاز می باشد. در این تحقیق برای تولید سوخت بیواویل یک واحد دستگاه پیرولیز سریع در کارگاه دانشکده کشاورزی دانشگاه محقق اردبیلی ساخته شد . دستگاه پیرولیز پیوسته شامل رآکتور، مشعل حرارتی، سیکلون، کندانسور، تغذیه کننده، گاز حامل، گرم کننده گاز حامل، منبع حرارتی، ترموکوپل، مارپیچ انتقال بیومس و مخزن بیومس بود.
شماتیک دستگاه تولید سوخت بیواویل در شکل - - 1 نشان داده شده است.از پارامترهای مؤثر بر عملکرد سوخت بیواویل در فرآیند پیرولی ز سریع می توان به درجه حرارت، نرخ جریان گاز نیتروژن، نوع بیومس انتخابی، توزیع اندازه ذرات حامل حرارتی، نرخ تغذیه و رطوبت ذرات بیومس انتخابی اشاره کرد.[Ikura et al., 2003] تمامی این فاکتورها در طی فرآیند پیرولیز بر روی عملکرد سوخت بیواویل تأثیرگذار میباشند. در این تحقیق فرآیند پیرولیز سریع در مقادیر ثابت بررسی شد و اثر تغییر در پارامترهای مذکور مورد بررسی قرار نگرفت . در روش پیرولیز سریع، زمان ماند گازها از اهمیت زیادی برخوردار است .
زمان ماند بالا باعث انجام واکنشهای ثانویه در داخل رآکتور شده و در نتیجه عملکرد فاز مایع کاهش می یابد. در این تحقیق زمان ماند گازها در داخل رآکتور کمتر از سه ثانیه بود . فرآیند پیرولیز بر روی ذرات چوب انجام شد زیرا که سلول های چوب از سلولز، همی سلولز و لیگنین تشکیل شده است و تجزیه حرارتی آن به سهولت انجام می شود اندازه ذرات چوب کمتر از 2mm و رطوبت آن کمتر %10 بود. فرآیند پیرولیز با نرخ تغذیه 1 kg/h انجام شد، نرخ جریان گاز - حامل - نیتروزن 100 ml/min بود و نرخ حرارت اعمال شده به رآکتور 10 C/min و حرارت نهایی آن 500 C بود. این دستگاه در صورت بهینهسازی قادر به تولید سوخت بیواویل را با عملکرد %50 وزنی ماده اولیه می باشد.
اندازه گیری خواص بیواویل تولید شده
بیواویل بدست آمده از فرآیند پیرولیز سریع دارای ارزش حرارتی پایینی بوده و به علت وجود یک مقدار ذاتی آب در ترکیباتش به آسانی م شتعل نمی شود. همچنین سوخت بیواویل از لحاظ خواص فیزیکی و شیمیایی با سوخت گازوئیل تفاوت دارد. سوخت گازوئیل دارای چگالی کمتری نسبت به بیواویل بوده و شامل ترکیبات اصلی آلفنیک اشباع شده و هیدروکربن های آروماتیک - C9-C25 - میباشد. از طرفی دیگر سوخت بیواویل به شد ت قطبی می باشد لذا این دو سوخت در یکدیگر قابل حل نبوده و مخلوط نمی شوند. اما امولسیون این دو سوخت بوسیله همگن سازی وبا استفاده از مواد افزودنی مانند surfactant و co-surfactants بدست می آید. مقدار افزودنی ها به منظور تولید یک امولسیون پایدار در حدود 0/8-1/5 درصد وزنی میباشد.[Memoier, 2003]
از مواد امولسیون کننده می توان به هایپرمرها و مواد معرفی شده در مؤسسه CANMET را نام برد . فاکتورهای مؤثر بر تشکیل امولسیون پایدار شامل غلظت بیواویل، غلظت امولسیون کننده، زمان ماند، سرعت به همزنی و درجه حرارت می باشد. درجه حرارت معمولاً مابین 50 تا 70 C، سرعت به همزنی مابین 800 تا 1750rpm بودهوزمان ماند به غلظت بیواویل و ماده امولسون کتتده بستگی دارد که از 5 تا 20 دقیقه متغیر میباشد.در این تحقیق به دلیل عدم دسترسی به امولسیون کننده، از روش هیدرولیکی برای تهیه امولسیون استفاده شد. به این منظور مخزنی با ظرفیت 25 لیتر که در قسمت پایین آن یک عدد الکتروپمپ و یک عدد شیر نصب شده بود، ساخته شد که انتقال امولسیون به سیستم انژکتور موتور از طریق شیر انجام می گرفت.
به هنگام ریختن گازوئیل و بیواویل در مخزن، بیواویل به علت چگالی بالا تر در پایین و گازوئیل در بالا - بر روی گازوئیل - قرار می گرفت که با روشن شدن الکتروپمپ مایع بیواویل از پایین مخزن مکیده شده و از طریق شلنگ به بالای مخزن - بر روی گازوئیل - انتقال مییافت. در حین انجام تست موتور، الکتروپمپ همواره روشن بود و لذا حالت امولسیون ا یجاد شده برای %20 بیواویل و %80 گازوئیل، پایدار بود . به منظور استفاده از سوخت بیواویل در موتور دیزل، مهمترین خواص ترموفیزیکی آن اساس استاندارد ASTM اندازهگیری شد که در جدول - - 2 آورده شده است.
