evaluarea si marirea puterii calorice a biomasei lemnoase

8/19/2019 Evaluarea Si Marirea Puterii Calorice a Biomasei Lemnoase

1/56

1

Investeşte în oameni!

FONDUL SOCIAL EUROPEANProgramul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere” Domeniul major de intervenţie 1.5. „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării” Titlul proiectului: Burse doctorale si postdoctorale pentru cercetare de excelenta Numărul de identificare al contractului: POSDRU/159/1.5/S/134378 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov Partener:

Universitatea Transilvania din BraşovŞcoala Doctorală Interdisciplinară

Departament: Prelucrarea Lemnului şi Designul Produselor din

Lemn

Ing. Tatiana B. GRÎU (DOBREV)

Titlul tezei (lb. română) EVALUAREA ŞI MĂRIREA PUTERIICALORICE A BIOMASEI LEMNOASE

Titlul tezei (lb. engleza) APPRECIATION AND INCREASING

THE WOODEN BIOMASS CALORIFIC POWER

Conducător ştiinţific

Prof.dr.ing. Aurel LUNGULEASA

BRAŞOV, 2014


2/56

2

MINISTERUL EDUCAŢIEI NAŢIONALE

UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

RECTORAT

D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

COMPONENŢAComisiei de doctorat

Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov Nr. 6786 din 25.07.2014

PREŞEDINTE: Prof.dr.ing. Mihai ISPAS

DECAN - Facultatea de Ingineria Lemnului

Universitatea „Transilvania” din Braşov CONDUCĂTOR

ŞTIINŢIFIC:

Prof.dr.ing. Aurel LUNGULEASA

Universitatea „Transilvania” din Braşov

REFERENŢI: Prof.dr.ing. Dan GAVRILESCU

Universitatea”Gheorghe Asachi” Iaşi

Prof.dr.ing. Ioan DINESCU

Academia Forţelor Aeriene „Henri Coanda”

Conf.dr.ing. Camelia COŞEREANU Universitatea „Transilvania” din Braşov

Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 24.09.2014, ora 10,

sala L III 3

Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să

le transmiteţi în timp util, pe adresa [email protected]

Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de

doctorat.

Vă mulţumim.

mailto:[email protected]:[email protected]:[email protected]:[email protected]


3/56

3

CUPRINS (lb. romana)

Pg.teza

Pg.rezumat

Capitolul 1. INTRODUCERE 1 5

1.1. Terminologie şi abrevieri 2 51.2. Aspecte introductive 4 61.3. Necesitatea şi oportunitatea cercetării 9 7

Capitolul 2. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRII ÎN DOMENIU 11 8

2.1. Evoluţia biomasei 12 82.2. Biomasa lemnoasă – sursă de energie regenerabilă 15 9

2.2.1. Formele biomasei 16 9

2.2.2. Cantitatea de biomasă disponibilă şi utilizarea sa 21 112.2.3. Provenienţa şi prognoza producerii energiei din biomasă 26 13

2.3. Puterea calorică 31 142.3.1. Caracteristicile combustibile ale biomasei 32 14

2.3.2. Potenţialul energetic al biomasei 37 152.3.3. Modalităţi de determinare 39 152.3.4. Torefierea şi procedeele de torefiere 45 16

2.4. Aspecte economice 48 17

2.5. Concluzii 52 17

2.6. Obiective principale 52 18

Capitolul 3. EVALUAREA PUTERII CALORICE A BIOMASEI LEMNOASE 54 18

3.1. Materiale şi metoda 55 183.2. Rezultate şi discuţii 62 21

3.2.1. Puterea calorică a speciilor de foioase 62 213.2.2. Comparaţie între speciile energetice de fag şi salcie 64 223.2.3. Puterea calorică a lemnului masiv de răşinoase 75 243.2.4. Puterea calorică a speciilor exotice 81 253.2.5. Puterea calorică a cojii 90 273.2.6. Puterea calorică a rămăşiţelor obţinute din compozite 94 283.2.7. Puterea calorică a brichetelor şi peleţilor 100 30

3.3. Estimarea puterii calorice a biomasei 107 31


Capitolul 4. MĂRIREA PUTERII CALORICE PRIN TOREFIERE 114 354.1. Aspecte introductive 115 35

4.2. Metodica de lucru 116 36

4.3. Rezultate şi discuţii 119 374.3.1. Schimbări cromatice în compoziţia rumeguşului torefiat 119 374.3.2. Pierderile de masă în urma procesului de tratare termică/torefiere 122 394.3.3. Creşterea puterii calorice a rumeguşului torefiat 131 404.3.4. Stabilitatea brichetelor torefiate 140 42


Capitolul 5. EFECTE ECONOMICE ŞI CONCLUZII FINALE 143 445.1. Efecte economice 144 44

5.2. Concluzii finale 153 46

5.3. Contribuţii originale şi direcţii ale cercetărilor viitoare 156 48

BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ 158 49Scurt rezumat 218 54

Curriculum-vitae 219 55


4/56

4

CUPRINS (lb. engleza)

Pg.

teza

Pg.

abstr act

Chapter 1. INTRODUCTION 1 5

1.1. Terminology and abbreviations 2 5

1.2. Introductory aspects 4 6

1.3. Necessity and opportunity of the research 9 7

Chapter 2. CURRENT STATE OF RESEARCH IN THE FIELD 11 8

2.1. Evolution of biomass 12 8

2.2. Woody biomass - a renewable energy source 15 9

2.2.1. Forms of biomass 16 9

2.2.2. The amount of biomass available and its use 21 11

2.2.3. Sources and forecast of energy production from biomass 26 13

2.3. The calorific power 31 14

2.3.1. Characteristics of biomass as fuel 32 14

2.3.2. The energy potential of biomass 37 15

2.3.3. Method of determination 39 15

2.3.4. Torrefaction and torrefaction processes 45 16

2.4. Economic aspects 48 17

2.5. Conclusions 52 17

2.6. Main objectives 52 18

Chapter 3. APPRECIATION OF CALORIFIC POWER FOR WOODY

BIOMASS 54 18

3.1. Materials and Methods 55 18

3.2. Results and discussion 62 21

3.2.1. The calorific value broadleaf species 62 21

3.2.2. Comparison of energy beech and willow species 64 223.2.3. The calorific value of solid wood of conifers 75 24

3.2.4. The calorific value exotic species 81 25

3.2.5. The calorific value of shell 90 27

3.2.6. The calorific value of the remains obtained from the composite 94 28

3.2.7. The calorific value of briquettes and pellets 100 30

3.3. Estimating the biomass calorific value 107 31


Chapter 4. INCREASE OF THE CALORIFIC POWER BY TORREFIATION 114 35

4.1. Introductory aspects 115 35

4.2. Working methods 116 36

4.3. Results and discussion 119 37

4.3.1. Color changes in the composition of torrefaction sawdust 119 37

4.3.2. Weight loss after heat treatment process /torrefaction 122 39

4.3.3. Increase the calorific value of sawdust torrefaction 131 40

4.3.4. Stability lighters torrefaction 140 42


Chapter 5. ECONOMIC EFFECTS AND FINAL CONCLUSIONS 143 44

5.1. Economic effects 144 44

5.2. Final conclusions 153 46

5.3. Original contributions and future research directions 156 48

SELECTED REFERENCES 158 49Abstrast 218 54

Curriculum-vitae 219 55


5/56


6/56

6

1.2. ASPECTE INTRODUCTIVE

În 1999, contribuţia estimată a biomasei la aprovizionarea cu energie a Uniunii Europene

(EU), s-a ridicat la 1900 PJ. Această contribuţie a fost de aproximativ două treimi din producţia

totală de energie realizată din surse regenerabile în EU (la rândul său, energia regenerabilăcontribuie cu aproximativ 6% din totalul ofertei de energie primară a EU).

Resursele regenerabile de energie re prezintă una din variantele înlocuirii combustibililor

fosili în România şi în lume, cu perspective mari de dezvoltare în viitor. După estimările SRE-

SEC (2008), în România se prognozează un consum de energie de 34,9 Mtoe (Milioane tone

echivalent petrol) până în 2020. Conform aceluiaşi studiu se constată că biomasa acoperă mai

mult de 60 % din totalul Surselor de Energie Regenerabilă (SRE), respectiv 190 -200 PJ/an

(Gheorghiescu ş.a. 2007). Una dintre principalele direcţii strategice actuale, pe care Româniatrebuie s-o pună în aplicare, constă în mobilizarea tuturor eforturilor de introducere şi

implementare a SRE.

Biomasa provine de la termenii greceşti Bios - viaţă şi massein - a strânge, deci

reprezintă cantitatea de materie vie a întregului glob pământesc (DEX 1996). Comparativ cu

celelalte materiale combustibile (cărbuni, petrol etc), biomasa este răspândită peste tot şi se

găseşte sub diverse forme (lemn, plante lemnoase, plante acvatice, agricole, deşeuri etc). Orice

ţară de pe globul pământesc are posibilitatea şi obligaţia de a produce energie verde din

biomasă.

Rezervele de biomasă lemnoasă diferă pe întreg teritoriul Uniunii Europene, cât şi la

nivel mondial. Arealul forestier variază de la 27,6 milioane hectare în Suedia până la 117 ha în

Cipru (Panoutsou 2011). La nivel mondial, fondul forestier ocupă aproximativ 4 miliarde de ha,

cea mai mare cantitate fiind repartizată pe teritoriul Federaţiei Ruse - 809 milioane ha, Braziliei -

478 milioane ha, Canada - 310 milioane ha, SUA- 303 milioane ha, China - 197 milioane ha.

Dintre cele 27 de state ale Uniunii Europene, România se află pe locul al 8 -lea după fondul

forestier pe care îl deţine, iar la nivel global România deţine doar 0,15 % din întreaga suprafaţă

de terenuri forestiere ale lumii.

R esursele de biomasă se pot determina şi în funcţie de gradul de utilizare a terenului pe

care fiecare stat îl are în folosinţă. Astfel, în Uniunea Europeană se utilizează aproximativ 50,1

% din suprafaţa de 4 303 401 km2 acesteia, 1 041 423,04 km2 fiind utilizată în scopuri agricole

şi 309 844,87 km2 în domeniul forestier (Eurostat 2012).

Creşterea eficienţei energetice are o contribuţie majoră la realizarea siguranţei în

domeniul alimentării şi dezvoltării durabile enegetice, a competitivităţii la economisirea

resurselor energetice primare şi la reducerea emisiilor gazelor cu efect de seră. Determinarea


7/56

7

eficienţei utilizării biomasei utilizată sub formă de combustibil solid, cât şi evaluarea

potenţialului energetic reprezintă obiectivele de cercetare al unui număr mare de specialişti din

ţară şi din străinătate. România se consideră o ţară cu potenţial mare în domeniul producerii

biocombustibilor, dar şi în domeniul folosirii materiilor prime lignocelulozice pentru producerea

de căldură.

1. 3. NECESITATEA ŞI OPORTUNITATEA CERCETĂRII

Marea provocare a planetei în mileniul al III-lea în domeniul energiei este orientarea

către sisteme regenerabile de producere a energiei SRE, în condiţiile dezvoltării durabile a

energiei, prin care se va asigura populaţiei necesarul de energie fără a modifica major

ecosistemul planetei.Biomasa sub formă de material lemnos, a fost şi va rămâne un material combustibil rămas

adânc în conştiinţa oamenilor, ca material care poate asigura necesarul de energie populaţiei la

un preţ redus. Biomasa a jucat şi joacă un rol important în economia energetică a planetei, deşi

în anul 1870 aceasta cedează în faţa combustibilor fosili (Cleveland 2009).

Prezenta cercetare abordează o temă de actualitate în domeniul producerii energiei din

surse regenerabile de energie (SRE), cu evaluarea potenţialului energetic al biomasei, prin

mărirea puterii calorice şi eficienţei utilizării lemnului în combustie. Cercetările actuale trebuie

să pornească de la determinarea puterii calorice, să continue cu determinarea influenţei

umidităţii, iar în final să se treacă la evaluarea eficienţii utilizării biomasei lemnoase prin

creşterea puterii calorice, prin tratarea termică uscată în mediu oxigenat.

Sporirea continuă a dezvoltării societăţii umane cât şi creşterea continuă a cererii de

energie a condus la noi viziuni şi ideii în producerea şi asigurarea necesarului de energie pe piaţa

energetică mondială, respectiv asigurarea cu material energetic inepuizabil. De aceea poluarea

mediului a devenit un factor important de orientare către biomasa lemnoasă, ca sursă de

producere a energiei.

Importanţa utilizării biomasei lemnoase reiese şi din aceea că face parte din categoria

resurselor regenerabile de energie, este o sursă combustibilă neutră în ceea ce priveşte emisiile

de CO2 în natură şi se găseşte în cantitate mare în natură, sub diferite forme.


8/56

8

Capitolul 2. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRII ÎN DOMENIU

2.1. EVOLUŢIA BIOMASEI

Descoperirea focului a fost punctul de plecare în ceea ce priveşte evoluţia biomasei înscopuri energetice şi asigurarea necesarului energetic. Biomasa este parte a ecosistemului şi

produce un tip de energie ce nu poluează mediul înconjurător, conform ultimilor cercetări în

domeniu (Lunguleasa ş.a. 2007, Uemura ş.a. 2011). Biomasa se consideră o resursă regenerabilă

cu un potenţial major în producerea energiei verzi, care merită să fie valorificată în domeniul

producerii energiei pe piaţa mondială.

Evoluţia producerii energiei din combustibili s-a împărţit în trei perioade esenţiale.

Conform descrieriilor lui Piriou ş.a. (2013) prima etapă a constat în descoperirea combustibilorfosili (1892) şi a modalităţilor de obţinere din aceştia a energiei. A doua etapă începe din

momentul apariţiei crizei energetice, în anii ‘70, care orientează populaţia lumii spre noi direcţii

şi viziuni de producere a energiei – printre care şi sursele regenerabile de energie (SRE), iar a

treia etapă constă în exploatarea şi asigurarea necesarului energetic din SRE. Combustibili fosili

sunt consideraţi ca reprezentând o parte importantă din biomasă care s-a descompus de-a lungul

timpului, cu caracteristici energetice importante pentru producerea energiei (Piriou ş.a. 2013).

Evoluţia SRE este determinată şi de politica desfăşurată de către EU în vederea cercetării

şi exploatării posibilităţilor alternative în domeniul energetic. Unul din cele mai importante

programe este cel legat de protecţia mediului prin reducerea emisiilor de substanţe nocive

produse din exploatarea şi folosirea combustibilor fosili (Cervinschi, Braga şi Fosin 1993).

Biomasa este una din sursele de energie regenerabilă folosite din cele mai vechi timpuri

de oameni. Până în secolul al XVIII-lea biomasa se considera ca fiind o sursă importantă pentru

asigurarea necesarului energetic pentru gătit, încălzit, etc., fiind şi una dintre cele mai uniform

răspândite surse energetice pe întreg globul pământesc.

Furnizarea energiei din biomasă a luat avânt începând cu anul 2000, iar în anul 2010

acest domeniu furniza deja 280 TWh de energie electr ică la nivel global, care echivala cu 1,5 %

din energia electrică furnizată în lume (Eurostat 2012). În prezent biomasa continuă să joace un

rol important în ţările care nu sunt membre OECD (Organizaţia pentru Cooperare şi Dezvoltare

Economică) şi reprezintă sursa principală care asigură necesarul energetic. În prezent, ţările în

curs de dezvoltare îşi asigură necesarul de energie prin surse precum biomasa folosind centrale

termice cu un randament mic de 10-50 %. Luând în calcul aceste aspecte, devine necesară

asigurarea pe piaţa energetică cu combustibili şi instalaţii termice cu randament înalt, pentru ca

biomasa să devină o sursă competitoare pe piaţa energetică. Energia la ora actuală este un factor


9/56

9

care conduce la dezvoltarea statelor lumii. În întreaga lume se studiază potenţialul producerii

energiei din bogăţia surselor combustibile existente care sunt oferite de planetă (Fosin, Braga şi

Bartalos 1993, Chisăliţa 2007).

2.2. BIOMASA LEMNOASĂ – SURSĂ DE ENERGIE REGENERABILĂ

Biomasa este o sursă energetică regenerabilă, prin faptul că, creşte an de an, este larg

răspândită în lume şi prezintă costuri mici în comparaţie cu combustibilii fosili. Resursele

biomasei, din care se produce materialul combustibil, poate include lemnul şi deşeurile

lemnoase, cerealele agricole şi deşeurile rezultate din producţia acestora, deşeurile municipale,

dejecţiile de animale, deşeuri din procesarea alimentaţiei, biomasa acvatică şi algele. Biomasa

este una din formele de surse regenerabile care poate fi convertită în combustibil energetic solid,lichid şi gazos şi care poate genera atât energie sub formă de căldură prin arderea acesteia, cât şi

energie electrică prin procese de conversie (Lunguleasa ş.a. 2007, Uemura 2011). Biomasa este

definită printr -un termen amplu dat tuturor formelor de materie organică care pot fi folosite în

procesul de producere a energiei, după Cleveland (2009) şi este materia care poate fi strânsă din

mediul înconjurător şi transformată în energie cu ajutorul proceselor de conversie.

Biomasa participă în cadrul ciclului carbonului în natură, prin utilizarea CO2 (dioxid de

carbon). Dioxidul de carbon participă atât la procesele de fotosinteză în timpul creşterii, dar este

şi componentul care determină o ardere completă în timpul combustiei lemnului

(Aghamohammadi ş.a. 2011). Prin procesele elementare care se petrec în timpul fotosintezei,

cca 1% din energia primită de la Soare este transformată în energie chimică de către plantele în

timpul creşterii. Energia solară absorbită de biomasă alcătuieşte structura chimică a

componentelor din biomasă (Ciubota-Roşie ş.a. 2008, Marosvolgyi şi Vityi 2004).

În prezent biomasa contribuie cu aproximativ 12% la producţia de energie primară în

lume, iar în statele în curs de dezvoltare aceasta ocupă 40 -50% din necesarul asigurării cu

energie. Biomasa este sursa alternativă care, după Gominho ş.a. (2012) a contribuit cu 7 % din

energia produsă în lume. În prezent, folosirea materialelor combustible regenerabile precum

rămăşiţele forestiere pentru producerea biocombustibilor, cresc şansele biomasei în planul

disponibilităţii acesteia pe piaţa energetică.

2.2.1. F ormele biomasei

La nivel mondial, conform ultimelor cercetării în domeniu, se evidenţiază preocupări în

domeniul utilizării biomasei în scopuri energetice. România potrivit estimărilor ISN (2011)


10/56

10

deţine un potenţial de 60% în producerea energiei din sursele existente de biomasă. România

dispune de o suprafaţă de 6300 mii ha, care reprezintă 27 % din suprafaţă teritoriului existent

(Răducan, Barbu şi Papadopol 2004, Beldeanu 2004). Resursele de biomasă, în prezent,

reprezintă materia primă rezultată din prelucrarea lemnului, agricultură, deşeurile municipale şi

dejecţiile animale. Toată această materie primă reciclată şi utilizată devine un material valoros pentru producerea energiei, căldurii şi a biocombustibilului.

Biomasa diferă de celelalte forme de surse regenerabile SRE prin faptul că reprezintă o

bogată materie primă ce poate fi transportată prin diverse procese de conversie în combusti bili

gazoşi, lichizi şi solizi. Biomasa este devizată în 4 mari categorii descrise în normativul SR EN

14961-1:

-Producţie forestieră: lemn, deşeuri din tăierea lemnului, rumeguş, copaci, arbuşti, aşchii,

coajă, etc., rezultate din exploatarea şi curăţarea pădurilor; -Deşeuri: rezultate din producţia agricolă, din procesele agricole, deşeuri cerealiere,

deşeuri urbane organice;

-Cereale energetice: culturi din prelucrarea de scurtă durată, culturi de amidon (porumb,

grâu şi orz), culturi de zahăr (trestia de zahăr şi sfecla de zahăr), culturi furajere (iarbă, lucernă şi

trifoi), culturi oleaginoase (floarea-soarelui, soia, şofrănel);

- Plante acvatice: alge, ierburi de apă, zambilă de apă, stuf şi papură.

Biomasa lemnoasă provine din lemnul care a rezultat în urma tăierii coroanelor

copacilor, care nu poate fi utilizată industrial, din cantităţile de lemn care urmează a fi prelucrat,

din păduri şi prelucrarea lemnului, etc. (Gavrilescu 2008). Practic, exploatarea forestieră începe

cu tăierea lemnului din pădure, curăţarea de crengi şi îndepărtarea rădăcinilor, după care urmează

operaţiunea de transport şi depozitarea în cadru întreprinderilor de prelucrare, locul unde se

realizează adevărata sortare şi clasificare pe grupe de calitate a lemnului (Berkesy ş.a. 2011),

toate acestea reprezintă în jur de 10% deşeuri lemnoase. Coaja nu este bună pentru producţia

zahărurilor fermentabile, datorită conţinutului mare de substanţe extractibile şi compuşilor

aromatici, inclusiv taninuri şi lignină (Feng ş.a. 2013).

În prezent se observă că biomasa este în premanenţă creştere. Această creştere se

materializează prin direcţiile de utilizare a biomasei şi a produselor rezultate din procesarea

biomasei, separate în materiale pentru producerea biogazului şi a biocombustibilului (Plieninger

ş.a. 2006, Raven şi Gregersen 2007). Producerea combustibilor lichizi din specii lignocelulozice

au potenţialul de a reduce cantitatea de substanţe volatile emise în atmosferă de către produsele

petroliere (McMillan 1997, McLaughlin şi Walsh 1998).

Plantele agricole precum porumbul, grâul şi orzul, trestia de zahăr şi sfecla de zahăr,

iarba, lucerna şi trifoi, floarea-soarelui, soia, şofrănel etc sunt folosite la producerea bioenergiei

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032105000092http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032105000092http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032105000092http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032105000092http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/096014819600081Xhttp://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0961953497100666http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0961953497100666http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/096014819600081Xhttp://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032105000092http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032105000092


11/56

11

din plante şi ar putea contribui substanţial la reducerea emisiilor de substanţe volatile şi a

reducerii schimbărilor climatice (Karp şi Shield 2008). Aproximativ 46 EJ/an (1 EJ = 118

Joules) energie este obţinută din plante şi echivalează cu 13,4 % din energia globală. Se

preconizează o producţie posibilă de aproximativ 200-400 EJ /an (Jurginger ş.a. 2006). Plantele

energetice pot fi separate în două categorii: plante generatoare de electricitate, căldură şicombinate şi plante generatoare de combustibil lichid pentru transport. Calitatea produselor

combustibile obţinute din plante se poate compara cu cea a combustibililor fosili obţinuţi din

ţiţei de tip benzină sau motorină.

Plantele acvatice cuprind aproximativ 2 miliarde de specii printre care: alge, buruieni de

apă, zambilă de apă, stuf şi papură. În industria producerii etanolului, conform cercetărilor, se

folosesc opt specii principale: Salvinia molesta, Hydrilla verticillata, Nymphaea stellata, Azolla

pinnata, Ceratopteris sp. Scirpus sp. Cyperus sp. şi Utricularia reticulata, după Abbasi ş.a.(1990). Potenţialul energetic al metanului produs din aceste plante ar putea ajunge la 418,6 GJ/ha

(1GJ/ha =108 kcal/ha) într -un an (Abbasi ş.a. 1990). Cu toate acestea, potenţialul biomasei

acvatice presupune recolte promiţătoare de micro- şi macroalge, iarba de mare, pentru producrea

energie, care sunt pe larg investigate (Bringezu ş.a. 2009). În plus, producţia de biomasă din alge

ar putea fi o opţiune de viitor în producerea energiei, mai ales datorită facilităţilor de a putea fi

cultivată pe un teren care nu concurează cu alte terenuri (de exemplu, cele din domeniul agricol).

2.2.2. Cantitatea de biomasă disponibilă şi utilizarea sa

Culturile lemnoase sunt diferenţiate, conform cercetărilor, în cantitatea de material

disponibil netă a biomasei prin următorii patru factori: cantitatea de energie solară; cantitatea de

energie interceptată de biomasă; eficienţa conversiei fotosintetice în energie; pierderea de

biomasă prin exploatare, după cum precizează Tudora (2009). În afară de energia solară,

obţinerea unor recolte mai ridicate din biomasa primară şi cât mai calitative, este condiţionată de

numeroşi alţi factori, precum: factori interni-genetici (specie, soi, hibrid), care au un rol

primordial în capacitatea de acumulare a biomasei, factori externi (factori de mediu, factori

tehnologici).

Producţia mondială de biomasă este estimată la 146 miliarde tone pe an, din sursa

primară de materie forestieră exploatată. În zona apelor dulci se găsesc plante într -o diversitate

mai mică, dar ca şi cantitate, se poate obţine în jur de 1-3 t/ha în apele curate şi 4-9 t/ha în apele

eutrofizate (Tudora 2009). Capacitatea producţiei speciilor este evaluat în zona temperată la 20-

30 tone biomasă uscată/ha, fiind realizată de speciile cu cele mai mare rată de creştere şi în

condiţii favorabile ale mediului (Tudora 2009). La plantele inferioare precum licheni cantitatea

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2008.02432.x/full#b80http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2008.02432.x/full#b80http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2008.02432.x/full#b80http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/026974839090036Rhttp://www.sciencedirect.com/science/article/pii/026974839090036Rhttp://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2008.02432.x/full#b80


12/56

12

de material obţinut este de 2-3 t/ha, muşchii – 0,5-0,7 t/ha, iar pajiştile sunt valorificate la 4,5

t/ha. În anul 2012, cantitatea de buşteni de molid a fost de 546,92 m3, din care lemn de foc de

162,66 m3, iar cantitatea de lemn rotund de 464,39 m3 în România. La ora actuală, cea mai mare

cantitate de material este asigurată de păduri, în jur de 40 t/ha de biomasa uscată. România este

bogată în păduri de fag cu suprafaţă estimată la 1890 mii ha. La nivel mondial în lume existăaproximativ 327 milioane tone de material lemnos în formă brută, după relatările lui Gadonneix

ş.a. (2010). Productivitatea forestieră primară în medie este de 8,6 t/ha la nivel mondial, pentru

speciile forestiere de foioase din zona temperată productivitatea este estimată conform

cercetărilor la circa 12 t/ha, iar cele de conifere la 15-18 t/ha. Pentru pădurile de stejar sau fag

care au o vârstă de 120 de ani, cantitatea de biomasa este evaluată la 275 t/ha (Gadonneix ş.a.

2010).

Tabelul 1

Producţia totală de resurse de biomasă (Tudora 2009)

Tipul de resursă debiomasă

Producţia totală, tone Producţia medie,tone/1000ha

Principalele 10 culturi agricole

Lucerna 7 846 000 341

Porumb 7 777 600 338

Leguminoase 6 316 667 274

Grâu 5 364 014 233

Plante de nutreţ 4 678 167 203Cartofi 3 742 300 162Trifoi 2 704 367 117

Legume 1 244 867 54

Viţa de vie 1 170 786 51 Produse forestiere mc/1000ha

Lemn de foc şi mangal 3 152 600 137Reziduuri de lemn 243 500 15

Animale Număr/1000ha

Bovine 3 097 000 134

Păsări 69 312 000 3009Porcine 6 521 000 283

România este o ţară cu potenţial mare în domeniul sursele de energie regenerabilă SRE şi

anume în producerea energiei din biomasă, unul dintre motivele de creştere a acestui domeniu

fiind creşterea preţurilor la carburanţii fosili. Obţinerea energiei din sursele de energie

regenerabilă devine astfel o valoroasă investiţie, atât pentru consumatori cât ş i pentru

întreprinderi de mare capacitate. Condiţiile favorabile pentru producerea energiei din surse

alternative sunt determinate şi de legislaţia în vigoare şi de fondurile europene care încurajează


13/56

13

producerea de energie regenerabile din biomasă, precum şi utilizarea energiei solare, a energiei

eoliane, geotermale şi hidro (Braga , Fosin şi Ghincioiu 2003).

2.2.3. Provenienţa şi prognoza producerii energiei din biomasă

Potrivit lui Panoutsou (2011) se estimează că bioenergia totală obţinută din biomasa

agricolă, forestieră şi deşeurile bio va oferi o cantitate de 13,1 EJ (300 Mtep) în 2030, iar dintre

acestea 5,4 EJ (142 Mtep) va fi obţinută din exploatare agricolă. România este o ţară care are un

potenţial mare în domeniul obţinerii sursei de energiei din biomasă. Ponderea surselor

regenerabile în consumul total de resurse primare în România este de 217,1 PJ (4946,00 mii tep)

la nivelul anului 2010, iar ca prognoză în anul 2015 aceasta va atinge o cotă de 243,1 PJ

(5537,20 mii Tep), iar din aceasta, biomasa are o pondere în consumul de energie primară de146,9 PJ (3347,30 mii tep) în 2010, iar pentru 2015 circa 166,9 PJ (3802,00 mii tep).

80%

14%

6%Agricol 40,1%

Forestier 7,2%

Alte categorii

2,8%

Teren arabil -24,3%

Pășuni - 13,2%Terene agricol -2,5%

Grădini - 0,1%

Figura 3.

Cantitatea de teren folosit la nivelul Uniunii Europene, în 2007 (IEA 2012)

La nivelul anul 2004 în toate statele UE-25 se remarcă o creştere cu 5,6 % în comparaţie

cu ani precedenţi.

În literatura de specialitate se estimează că potenţialul energetic al biomasei în anul 2050

va ajunge la 1500 EJ/an (1EJ=1018J). Biomasa forestieră şi agricolă vor oferi anual o capacitate

de 50-150 EJ/an (Gadonneix ş.a. 2010). Acest scenariu încurajează enorm politicile de cercetare

în direcţia obţinerii surselor energetice noi, care să contribuie la creşterea producţiei de energie.

Biogazul pr odus zilnic de o staţie de fermentare este estimat la 1200-3600 m3 pe zi

(numai din utilizarea dejecţiilor) sau 2400 kWh energie electrică pe zi sau 700 000 kWh pe an

energie electrică. Transformată în caldură, aceasta reprezintă 15 120 kJ (4200 kWh) căldură pe

zi sau 5,5 GJ (1 600 000 kWh) pe an (Zecasin 2005).

Ponderea surselor regenerabile în consumul total de energie primară produsă în România

este de 2,17 PJ (4946,00 mii Tep) la nivelul anului 2010, iar ca prognoză în 2015 va ajunge la o

cotă de 2,43 PJ (5537,20 mii tep). Din aceasta, biomasa va avea o pondere în consumul de


14/56

14

energie primară de 1,46 PJ (3347,30 mii tep) (2010), iar pentru 2015 – 1,66 PJ (3802,00 mii tep)

(1PJ=1015J) (Ionescu 2013). Biomasa va contribui în 2015 cu 68 % în comparare cu celelalte

surse de energie SRE.

Lemnul acoperă mai mult de 10 % din cererea de energie primară în multe ţări din Asia,

Africa şi America Latină şi în câteva ţări din Europa (Suedia, Filanda, Austria), după unelecercetări (Haglund 2008). Producerea energiei din biomasă este încă concentrată în statele

OECD, unde este considerată principala sursă de energie. State precum Brazilia şi China, în

prezent, au devenit competitoare pe piaţa energetică în domeniul producerii energiei din

biomasă. În prezent, energia din biomasă este produsă prin procesele de combustie şi generare de

energie prin turbine de abur incluzând şi sistemele prin co-generare.

2.3. PUTEREA CALORICĂ

Termenul de putere calorică, care este emisă de corpuri a fost folosit pentru prima dată de

Kepler, iar în literatura ştiinţifică este introdusă de către Thomas Young (1807). Conceptul de

căldură este folosit mai întâi de către Claussius cu sensul de energie internă, care reprezintă

transferul de căldură de la un corp către altul. Conversia biomasei în energie este rezultatul

folosirii a două principale precese tehnologice: termo-chimic şi bio-chimic/biologic, după

cercetatorul Ciubota – Roşie (2008).

Arderea combustibilului solid şi lichid se consideră un procedeu complex. În prima fază a

procesului de ardere a combustibilului se produce încălzirea şi evaporarea apei din combustibil.

În faza a doua, vaporii formaţi prin procesul de ardere a combustibilului se amestecă cu aerul,

urmat apoi de încălzirea, aprinderea şi arderea amestecului subtanţelor rezultate din combustibil.

Combustibilul solid, în timpul arderii, trece prin trei faze principale: încălzirea combustibilului în

scopul eliminării substanţelor volatile, formarea amestecului de substanţe volatile combustibile

cu aerul, încălzirea, aprinderea şi arderea (Ion şi Ion 2006).

2.3.1.Caracteristicil e combustibil e ale biomasei

Cercetările efectuate în domeniul energetic au demonstrat faptul că biomasa prezintă o

serie de caracteristici combustibile, care îi determină calităţile competitoare pe piaţa energetică.

Încurajarea folosirii biomasei ca material combustibil este evidenţiată şi de instalaţiile de

combustie adoptate la arderea diferitor materiale combustibile (instalaţii pentru lemn de foc,

peleţi, brichete, co-generare, etc.).


15/56

15

Din alt punct de vedere, caracteristicile combustibile ale biomasei lemnoase diferă de la

un material la altul şi desigur faţă de cea a combustibilor fosili. Biomasa, pe lângă avantajele

principale, are o serie de dezavantaje, de care trebuie să se ţină seama, faţă de combustibilii

fosili:

- Densitatea biomasei şi puterea calorică a speciilor lemnoase este mai mică încomparaţie cu cea a combustibililor fosili;

- Unele surse de biomasă sunt în mare parte generate doar sezonier, de obicei în perioada

de recoltare, rezultând astfel necesitatea de depozitare şi păstrare a materialului în condiţii

optime, care să nu influenţeze asupra biodegradării.

- Sistemele termice utilizate pentru diferite procese de conversie trebuie să aibă

capacităţi mari, care să conducă la echivalarea preţului instalaţiilor combustibililor fosili.

- Biomasa ne-tratată are de obicei un conţinut mare de umiditate, care este principalulfactor care determină un conţinut scăzut de căldură obţinută din material în urma proceselor de

combustie;

- Caracteristicile termochimice şi compoziţia chimică a biomasei diferă în mare parte de

combustibilii fosili, respectiv un conţinut mare de oxigen, substanţe alcaline şi cloruri.

2.3.2.Potenţialul energetic al biomasei

Procesul de combustie al materialelor combustible solide reprezintă o tehnologie pentru

producerea căldurii, cu ajutorul instalaţiilor termice. În figura 4 este redată după Milos (2000)

puterea calorică a materialelor combustibile solide prezente pe piaţa energetică. Evident, cea mai

mare putere calorică o au reziduurile de motorină, benzină, pacură. Aceste reziduuri folosite în

combustie sunt consideraţi inamicii mediului înconjurător, deoarece provoacă poluarea mediului,

încălzirea globală, schimbări climaterice majore etc, care sunt observate şi resemţite de către om,

an de an (Milos 2000). Conform cercetărilor mai recente, cea mai mare putere calorică inferioară

pentru produsele energetice din cereale este obţinută pentru brichetele din floare-soarelui 17 070

-17370 kJ/kg (17,07 –17,37 MJ/kg), care au şi un conţinut scăzut de umiditate de 5,9– 6,2 %.

Brichetele de cânepă au o putere calorică inferioară de 16 600 – 16 740 kJ/kg (16,60 –

16,74MJ/kg).

2.3.3. Modalităţi de determinare

Determinarea puterii calorice a combustibilor este cercetată în întreaga lume. Până în prezent se cunosc o serie de modalităţi de determinare a puterii calorice pentru speciile


16/56

16

lemnoase, atât pe cale experimentală cât şi prin ecuaţii empirice. Pentru prima dată, s -a folosit

calorimetrului de tip Junkers, care determină puterea calorică pentru combustibilii gazoşi.

Puterea calorică a combustibililor solizi şi lichizi grei, se măsură cu bomba calorimetrică.

Relaţiile empirice de calcul cu ajutorul cărora se calculează valoarea puterii calorice

(inferioare), obţinută în urma arderii materialului, diferă de cea a puterii calorice superioaredatorită căldurii obţinute prin condensarea vaporilor de apă şi a substanţelor volatile formate în

timpul procesului de ardere.

Puterea calorică a lemnului se mai poate determina şi prin metoda determinării puterii

calorice a principalelor elemente chimice, în funcţie de conţinutul de umiditate, pe baza

relaţiei lui Nadejin, etc. Metoda determinării puterii calorice pe baza fiecărui element chimic

din lemn este propusă de Mendeleev, prin relaţiile 9 şi 10 (Lunguleasa ş.a. 2007):

PCS=[8100∙C+3400(H+O/8)-600(U-9H)]/0,23884[kJ/kg] (9)unde:

C, H, O sunt procentele din masa totală a elementelor chimice, [kg];

U - conţinutul de umiditate, [kg/kg].

[1kJ/kg = 0,238846 kcal/kg]

2.3.4. Torefierea şi procedeele de torefiere

Combustibilii rezultaţi din biomasă sunt văzuţi de mulţi cercetători ca materiale

combustibile, care contribuie la scăderea emisiilor nocive ale combustibililor fosili în atmosferă.

Procesul de torefiere implementează proprietăţi termice superioare combustibilului solid obţinut

din biomasă, asemănătoare cu cele ale combustibililor fosili de tip huilă. Procesul de torefiere se

consideră o metodă modernă de uscare a materialului şi are trei performanţe: scăderea

conţinutului de umiditate din combustibil, mărirea puterii calorice şi crearea unui combustibil

hidrofobic care reabsoarbe numai un mic conţinut de umiditate (Bridgeman ş.a. 2010).

Conform cercetărilor lui Doshi ş.a. (2014) puterea calorică obţinută este de 17 300 kJ/kg

(17,3 MJ/kg) pentru speciile de cereale, 19 400 kJ/kg (19,4 MJ/kg) bagasă, 17 400 kJ/kg (17,4

MJ/kg) iarbă, 18 500 kJ/kg (18,5 MJ/kg) plop şi iarba elefantului ( Miscanthus giganteus).

În lucrările de cercetare ale procesului de tratare termică, se consideră că există două

procedee principale, respectiv cel uscat şi cel umed. Cuptorul utilizat pentru procedeele de

torefiere uscată, în comparare cu celelalte modalităţi de uscare a fost proiectat cu închidere

ermetică, controlul temperaturii de tratare, măsurarea conţinutului de oxigen/azot şi a cantităţii

de material. Obţinerea mediului inert în interiorul cuptorului a fost posibilă cu ajutorul azotului


17/56

17

care era introdus pentru a controla cantitatea de oxigen din interior, aspecte relatate de diverşi

cercetători (Almeida ş.a. 2010).

2.4. ASPECTE ECONOMICE

Biomasa este o sursă primară de carbon alături de celelalte surse de energie regenerabilă.

Aceasta poate fi utilizată ca materie primă pentru producerea energiei, a biocombustibililor şi a

combustibililor bio-chimici, în scopul de a se obţine independenţa energetică a regiunii sau ţării.

Materialul obţinut din biomasă produce o cantitate mare de energie, ce poate fi disponibilă

pentru orice consumator. De exemplu, puterea calorică inferioară (PCI) al lemnului variază între

15480 şi 19440 kJ/kg (4300 şi 5400 kWh/t), în funcţie de specie şi conţinutul de umiditate.

Biomasa poate avea un potenţial de 14 % din necesarul total de energie din lume conformliteraturii de specialitate (Repellin ş.a. 2010).

Caracteristicile fizice cât şi compoziţia chimică a biomasei acţionează asupra calităţii

materialului lemnos utilizat ca şi combustibil solid. Caracteristicile biomasei diferă de la o

specie utilizată drept combustibil la alta. De exemplu conţinutul de umiditate poate varia între

20-55% faţă de masa uscată a materialului pentru lemn de foc, sau la umidităţii mai mici de 10%

pentru peleţi şi brichete. Din aceste considerente, calităţiile combustibilului poate fi îmbunătăţită

prin tehnologii de pretratare a materialului lemnos (procese de torefiere).

2.5. CONCLUZII

Energia este baza tuturor ativităţilor umane şi evoluţia acesteia nu poate fi întreruptă. De

asemenea, combustia este unul din cele mai importante procese termico-chimice de producere a

energiei. Nu trebuie neglijat faptul că procesele de ardere sunt posibile doar în prezenţa

oxigenului, care de obicei este introdusă în focar prin aerul de combustie.

În prezent, toate statele lumii îşi canalizează investiţiile pe producerea energiei din surse

altenative (SRE), care, după prognozele efectuate se estimează să ajungă către anul 2020 la o

cantitate de 20% din totalul energiei folosite la nivel european. Potenţialul mare în producerea

energiei îl deţine biomasa (47%) fiind urmată de energia hidro (45%), la nivel european. De

aceea este necesară cunoaşterea energiei eliberate în timpul arderii de diferitele forme de

biomasă.

Datele din literatura de specialitate nu sunt centralizate, pentru a se putea face o

comparaţie între diferitele tipuri de biomasă existente pe piaţă. De asemenea nu există o coeziune


18/56

18

în ceea ce priveşte exprimarea puterii calorice, respectiv a unităţilor de măsură. Din această

cauză toate aceste neclarităţi şi neajunsuri, trebuie studiate şi analizate metodic.

Creşterea puterii calorice a biomasei prin procesele de torefiere uscată reprezintă o

direcţie actuală de cercetare şi investiţie a tuturor statelor lumii. Din cercetările actuale rezultă că

torefierea biomasei conduce clar la creşterea densităţii calorice. Nu există însă date certe privindtorefierea speciilor lemnoase europene sau a factorilor de influenţă.

2.6. OBIECTIVE PRINCIPALE

Obiectivul principal al prezentei cercetări îl reprezintă evaluarea şi creşterea puterii

energetice a biomasei lemnoase. Utilizarea biomasei lemnoase în domeniul combustiei creează o

serie de necunoscute privind mecanismul arderii lemnului, factorii de influenţă ai combustiei,factorii şi evaluare eficienţii utilizării acestui combustibil etc. De aceea, pornind de la aceste

neclarităţi, cercetarea îşi propune următoarele obiective principale:

- Efectuarea unui studiu exhaustiv asupra stadiului actual al determinării puterii calorice a

biomasei lemnoase, cu scopul declarat de găsire a direcţiilor de evaluare şi mărire a puterii

calorice a biomasei lemnoase;

- Determinarea puterii calorice a speciilor lemnoase indigene cât şi exotice, a produselor

lemnose biocombustibile (peleţi, brichete, coajă, rămăşiţe etc) în vederea folosir ii eficiente a

acestora, dar şi în scopul de a avea o bază clară de raportare a produselor cu putere calorică

ridicată;

- Mărirea puterii calorice a biomasei lemnoase cu cel puţin 5 %, prin tratarea termică

uscată a rumeguşului pentru specii de răşinoase (larice, molid) şi foioase (fag, stejar) în prezenţa

aerului;

- Evaluarea economică a produselor torefiate.

Pe perioada cercetării se va urmării crearea unei metodologii clare de lucru, de aşa natură

încât experimentele parcurse să fie oricând şi de oricine reproduse cu uşurinţă.

Capitolul 3. EVALUAREA PUTERII CALORICE A BIOMASEI LEMNOASE

3.1. MATERIALE ŞI METODA

Determinarea puterii calorice pentru lemn şi materiale lemnoase sau lignocelulozice este

aproape similară cu cea a cărbunelui (ca şi combustibil solid) şi cu puţine deosebiri faţă de

combustibili lichizi (benzina, motorina etc) sau gazoşi (gaz metan, GPL, biogaz etc). În general,


19/56

19

metoda de determinare a puterii calorice se face separat pentru combustibili solizi (ASTM

D3286-96 1996, Dihoiu 1995) sau lichizi şi gazoşi.

Numărul de încercări cerute de normative şi alţi cercetători este de 5, 8 sau 10 probe

cercetate pe cale experimentală (ASTM D3286-96, DIN 51900-1 2000, Dihoiu 1995).

Experimentele în cadrul lucrării s-au efectuat pe 5 probe (DIN 51900-1 2000) pentru fiecarespecie sau tip de material cercetat, luându-se ca valoare de studiu validată, media acestora, atunci

când are o probabilitate de peste 95%. Pentru determinarea puterii calorice a cojii s-a folosit

metoda Pre-Control cu limite strânse utilizându-se în acest caz numai 3 epruvete şi luându-se

media acestora.

Instalaţia folosită pentru determinarea puterii calorice a biomasei lemnoase a fost

calorimetrul cu ardere explozivă tip XRY-1C, produs de Shanghai Changji Geological

Instrument Co., din China (Fig 8). Înainte de a efectua încercarea propriu-zisă se face etalonarea bombei calorimetrice cu acid benzoic, folosindu-se acidul benzoic cu o valoare a puterii calorice

cunoscută (de obicei 26 463 kJ/kg (1kJ/kg=1J/g), sau cu mici diferenţe de maxim ±3% faţă de

această valoare), pentru a se determina coeficientul calorimetric k (ecuaţia 25) al instalaţiei

calorimetrice.

[kJ/kg] (25)

unde:

k - coeficientul calorimetric, determinat prin etalonare cu acid benzoic, exprimat în kJ/grad ;tf – temperatura finală, în grade;

ti – temperatura iniţială, în grade;

ml - masa lemnului, în kg.

qs - căldura consumată pentru arderea firului de sârma de nichelină, în kJ;

q b – caldura obţinută prin arderea firului de bumbac, în kJ.

Figura 8.

Instalaţia pentru determinarea puterii calorice a biomasei lemnoase cu bomba calorimetrică cusoft propriu.

Procedeul de determinare a puterii calorice a materialului lemnos se referă în primul rând

la pregătirea materiei prime şi a instalaţiei, apoi la determinarea propriu zisă şi în final la

obţinerea rezultatului final. Pregătirea materialului lemnos în vederea testării constă în preluarea


20/56

20

unei mici părţi de circa 0,6-0,8 grame din materialul întreg, proba cântărită cu o precizie de

0,0002 g. Proba trebuie să fie curată, din lemn tăiat proaspăt, pentru că lemnul vechi nu are toate

substanţele volatile şi inflamabile, care ar putea influenţa puterea calorică a acestuia. Această

probă se aşează într -un creuzet de porţelan şi se introduce într -o etuvă de laborator, în vederea

uscării, la o temperatura de 103±2o

C.

Obţinerea stării anhidre a materialului lemnos se verifică prin cântăriri succesive, până

când diferenţa între două cântăriri succesive este mai mică decât dublul preciziei de cântărire,

sau acoperitor pentru piesa de o asemenea mărime de cel puţin 2 ore de păstrare a probei în

etuvă. După uscare, probele sunt păstrate în exicator pentru răcire şi neschimbarea conţinutului

de umiditate, până la introducerea în bomba calorimetrică. Pregătirea instalaţiei în vederea

încercării, se referă la verificarea cantităţii de apă din calorimetrul sau cuvă Cu (de aşa natură

încât să depăşească cu 1-2 mm capacul bombei calorimetrice), a agitatorului A al apei Ap dincuvă, a softului calculatorului C, a termometrului exterior calorimetrului T şi a nivelului

presiunii gazului în butelia de oxigen Bo. Proba de testat 1 se leagă de firul de bumbac 2 şi se

pune în creuzetul bombei 3. Se leagă firul de nichelină spiralat 4 de probă şi firul de bumbac,

după care se poziţionează corect capacul de protecţie 5. Creuzetul este legat de capacul bombei

calorimetrice 6 prin doi electrozi 7 şi 8, care se continuă cu firele electrice de cuplare a bombei

calorimetrice 9 şi 10. Prin înfiletarea capacului bombei se cuplează bomba 11 prin ştuţul 12 la

butelia de oxigen Bo, introducându-se 30 atmosfere. Se introduce bomba în calorimetrul

instalaţiei Cu, se cuplează cele două fire electrice, se închide capacul calorimetrului şi se

introduce termostatul T pentru determinarea temperaturii (Fig.6).

Rezultatul final al arderii biomasei lemnoase se exprimă prin puterea calorică,

noţiune prin care se înţelege cantitatea de căldură obţinută la arderea unităţii de masă. Pentru

materiale combustibile cu conţinut mare de apă şi hidrogen, aşa cum este biomasa

lemnoasă, se pot distinge două tipuri de puteri calorice, respectiv puterea calorică

superioară (PCS) şi puterea calorică inferioară (PCI).

Rezultatele obţinute în urma determinării puterii calorice superioare şi inferioare, sunt

validate numai după obţinerea şi analiza a cel puţin 5 valori. Există metode mai simple de

determinare prin utilizarea a trei valori succesive, după cum se specifică în metoda Pre-Control

cu limite strânse (Juran 1973). Principiul metodei Pre-Control se bazează pe ipoteza celei mai

rele condiţii care se poate accepta pentru un proces de testare, capabil să producă piese de bună

calitate. Cu alte cuvinte dacă toleranţa găsită este identică cu cea prescrisă de specificaţii şi dacă

procesul de testare este bine centrat, orice schimbare intervenită pe fluxul de testare va avea

drept consecinţă apariţia de defecte (Lunguleasa şi Grîu 2013).


21/56

21

Figura 12.

Diagrama Pre-Control

3.2. REZULTATE ŞI DISCUŢII

3.2.1.Puter ea calorică a speciilor de foioase

În practică industrială rezultă rămăşiţe de fabricaţie din totalitatea speciilor lemnoase

industrializabile. De aceea, în procesul de cercetare s-au utilizat din categoria speciilor de foioase

indigene următoarele specii: castan porcesc ( Aesculus hipocastanus L.), carpen (Carpinus

betulus L.), cer (Quercus cerris L.), cireş ( Prunus avium L.), fag ( Fagus silvatica L.), frasin

( Fraxinus excelsior L.), mesteacăn ( Betula pendula Roth.), paltin de munte ( Acer

pseudoplatanus L.), păr pădureţ ( Pyrus pyraster L.), salcâm ( Robinia pseudacacia L.), salcie

(Salix alba L.), soc (Sambucus nigra L.), stejar (Quercus rubur L.). O bună parte din aceste

specii sunt considerate la ora actuală specii cu putere calorică mare şi sunt pe larg utilizate în

domeniul asigurării necesarului energetic atât în zonele rurale ale ţărilor in curs de dezvoltare cât

şi în ţările dezvoltate industrial.

1862518741 18802

18802

1900819257

19406 19539

19555

1956719647

1996820285

20830

18034

1826818336

1833618370

18783 18930

1906319078

19094 19051

19499

19685

20224

16000

17000

18000

19000

20000

21000

22000

Puterea calorica superioara, kJ/kg Puterea calorica inferioara, kJ/kg

Figura 14.

Puterea calorică a speciilor de foioase indigen


22/56

22

Rezultatele obţinute conform metodicii din lucrare au fost aşezate în tabele în vederea

analizei acestora. Din rezultatele prezentate în tabelul 7, conform caracteristicilor energetice

obţinute, rezultă că dintre toate speciile analizate, specia de salcie (20224 kJ/kg) şi cireş (19499

kJ/kg) deţin o putere calorică inferioară mare în comparaţie cu speciile de mesteacăn (18034

kJ/kg).

3.2.2. Comparaţie între speciile de fag şi salcie

Pe piaţa lemnului de foc, specia de fag este cea mai mult folosită, motiv pentru care în

continuare se face o comparaţie cu specia de salcie, în vederea găsirii de noi soluţii energetice. În

prezent pe piaţa energetică specia de salcie este considerată o specie energetică, cu potenţial

mare de investiţie şi producere a energiei. Specia de salcie energetică (Salix viminalis L.) esteconsiderată de către cercetători o plantă agricolă cu potenţial energetic şi de asemenea este

considerată o specie ecologică. În România se cunosc în jur de 20 de specii de Salix, care în

trecut erau folosite ca şi materie primă pentru industria producerii coşurilor şi a mobilei din

nuiele (Ivănescu ş.a.1979).

Salcia este o plantă ce creşte pe terenuri inundabile, pe malul râurilor şi în albiile

râurilor, putând fi considerată o specie extrem de folositoare pentru zonele corespunzătoare.

Conform cercetărilor, s-au descoperit în jur de 200 de specii de salcie, din care 18 specii sunt

specii cu caracteristici energetice precum: creştere rapidă, putere calorică înaltă, rezistentă la

boli, perioadă de recoltare de la 10-25 ani, cu înălţime de 7-8 m.

Altă specie des utilizată în scopuri energetice este fagul, din care la ora actuală se produc

brichete, peleţi, dar se foloseşte şi ca lemn de foc. Speciile de fag sunt considerate specii cu

caracteristici calorice bune pe piaţa Europeană. În Europa cât şi în România se pot găsi o mare

varietate de specii de fag (Câmpean ş.a. 2004). Pe teritoriul României se cunosc specii în zona

Munţilor de Vest, Platoul Central al Moldovei, Oltenia, Banat şi Bucovina (Grîu şi Lunguleasa

2013). Fagul (Fig. 15) este un arbore din prima categorie cu înălţime de 30 m, rar 45 m, lemn

de esenţă tare, duramen fals (3), alburn (4), inele (5), punctuaţie uniformă (1); tulpina este

cilindrică cu coaja de la gri la albicios. Coroana copacului este ovală în masiv.

Fagus silvatica L. Salix viminalis L.


23/56

23

Figura 16.

Structura macroscopică a speciilor de salcie şi fag

Specia de salcie (Salix Viminalis L.) este o specie energetică cu o putere calorică de

19738 kJ/kg (19,7MJ/kg), care este mai mare decât a speciei de plop (bucăţi de lemn masiv) –

19685 kJ/kg (19,6 MJ/kg) sau al rumeguşului 18500 kJ/kg (18,5 MJ/kg). Fagul are o putere

calorică de 19051 kJ/kg (19,05 MJ/kg). Această putere calorică nu diferă esenţial de cea de

salcie, care are în plus alte avantaje precum: creştere rapidă, soluri mai puţin bogate etc.

Carpen (Carpinus betulus L.) Salcie (Salix alba L.)

Figura 19.

Influenţa umidităţii asupra speciilor de foioase indigene

În figura 19 sunt reprezentate pentru fiecare specie în parte influenţa umidităţii asupra

conţinutului de energie obţinut în urma cercetărilor. Se observă că odată cu creşterea umidităţii

cantitatea de căldură va scade semnificativ. În urma combustiei speciilor de foioase cu grad deumiditate înalt vor rezulta procese de combustie incompletă, care reprezintă un factor de poluare

a mediului (Grîu şi Lunguleasa 2014a). Densitatea energetică este bună, cu valori între 4-11

kJ/cm3, la umiditatea de 50%. Aceasta este însă diferită de la o specie la alta şi scade odată cu

creşterea umidităţii probelor.


Figura 20.

Influenţa umidităţii asupra vitezii de ardere şi densităţii energetice a speciilor de foioase

indigene


24/56

24


Figura 21.

Influenţa umidităţii asupra randamentului energetic al speciilor de foioase indigene

3.2.3. PUTEREA CALORICĂ A BIOMASEI DE RĂŞINOASE

În prezent o gamă largă de produse lemnoase utilizează materii prime din specii de

răşinoase. De la prelucrarea acestora rezultă o serie de rămăşite care pot fi valorificate prinardere la centrale termice. Cunoaşterea caracteristicilor calorice şi energetice ale acestor specii

lemnoase devine astfel necesară, pentru a evalua care este energia acestora.

Figura 22.

Puterea calorică superioară şi inferioară a speciilor de răşinoase indigene

Ienupar de Virginie ( Jeniperus

virginiana L.)

Pin ( Pinus silvestris L.)

Figura 23.

Influenţa umidităţii asupra PCS şi PCI a speciilor de răşinoase indigene


25/56

25

Ienupar de Virginia ( Jeniperus

virginiana L.)


Figura 25.

Influenţa umidităţii asupra randamentului energetic al speciilor răşinoase indigene

3.2.4. PUTEREA CALORICĂ A SPECIILOR EXOTICE

Speciile lemnoase sunt grupate, după provenienţa acestora în specii indigene (răşinoase şi

foioase) şi exotice. Speciile exotice se găsesc în zonele cu climat cald, tropical, cunoscându-se

aproximativ 50 000 de specii de arbori. Având în vedere faptul că, în practica industriala se obţin

rămăşiţe de fabricaţie din specii exotice, este necesară studierea caracteristicilor energetice

(calorice) ale acestora. Respectând metodologia de lucru impusă în capitolul 3 al lucrării,

rezultatele obţinute privind caracteristicile energetice au fost puse în tabele pentru fiecare specie

în parte, după care s-a efectuat centralizator al valorilor, precum se observă în Tabelul 13.

Ienupar de Virginia

( Jeniperus virginiana L.)


Figura 24.

Influenţa conţinutului de umiditate asupra densităţii energetice şi viteza de ardere a speciilor derăşinoase indigene


26/56

26

Figura 26.

Puterea calorică a speciilor exotice

Din datele experimentale obţinute în urma testării rezultă că speciile exotice au o putere

calorică mai mare, respectiv de 20 000-21 000 kJ/kg (20,0 – 21,0 MJ/kg).

Acajo Berlina SPPFigura 27.

Influenţa conţinutului de umiditate asupra puterii calorice a speciilor exotice

Comparativ cu speciile de conifer indigene care au o putere calorică de 18 000-19 000

kJ/kg (18,0 – 19,0 MJ/kg) şi foioasele indigene cu o putere calorică de 18 000 kJ/kg (18,0

MJ/kg), speciile exotice au o putere calorică cu puţin mai mare.

Conform cercetărilor experimentale, s-a observat o influenţă negativă mare a umidităţii

asupra conţinutului caloric, cu descreşteri atât asupra conţinutul de căldură obţinut cât şi asupradensităţii energetice şi a randamentului energetic (Fig. 27, 28). Randamentul energetic a fost

calculat ca şi raport dintre proba uscată folosită şi puterea calorică în stare uscată a epruvetei şi

valorile obţinute pentru proba umedă (Fig. 29).


27/56

27

Acajo Berlina SPP

Figura 28.

Influenţa umidităţii asupra densităţii energetice şi vitezei de arder e a speciilor exotice

Acajo Berlina SPP

Figura 29.

Influenţa conţinutului de umiditate asupra randamentului energetic al speciilor exotice

Energia care poate fi obţinută din materialul lemnos umed scade, din cauza conţinutuluide umiditate, care este prezentă în material. Dacă se doreşte să se utilizeze biomasa ca şi

combustibil solid, atunci conţinutul de umiditate nu trebuie să depăşească 60 %, raportată la

masa uscată, pentru că la acest nivel cantitatea de căldură obţinută este mai mică decât puterea

latentă de vaporizare a apei, care este conţinută în biomasă. Diferenţele dintre puterea calorică

superioară (PCS) şi puterea calorică inferioară (PCI) sunt datorate faptului că oxigenul şi

conţinutul de apă din lemn influenţează negativ procesul de ardere.

3.2.5. PUTEREA CALORICĂ A COJII

Coaja reprezintă stratul exterior al plantelor lemnoase (de obicei copaci, pomi, viţă de vie

şi arbuşti). Coaja este prezentă în jurul trunchiului de lemn, crengi şi rădăcini la toate tipurile de

plante lemnoase, pentru a proteja împotriva insectelor , ciupercilor, lumina soarelui, îngheţ, de

ploaie şi de alţi factori externi. Cantităţile de scoarţă sunt, în medie, până la aproximativ 10 %

din volumul total, dar procentul real depinde de specie şi vârsta acesteia.


28/56

28

De obicei, coaja este formată din două straturi vizibile, cele interioare şi exterioare, chiar

dacă nu sunt inele anuale macroscopice distincte. Coaja exterioră este formată din ritidom, un

ţesut mort a cărui grosime, netezime şi neregularităţi sunt criterii botanice pentru identificarea

speciilor (Grîu şi Lunguleasa 2013b). Coaja interioară cuprinde o mulţime de straturi precum

cambium, feloderm, floem secundar şi cambiu vascular (Fig 30). Inele anuale sunt foarte subţiri şi, prin urmare, nu sunt vizibile la microscop. Conţinutul de celuloză şi hemiceluloză este mai

mic decât în lemn.

Tabelul 15.

Caracter isticil e energetice ale coji i

T i p

m a t e r i a l

M

a s a

e p r u v e t e i ,

g T

i m p d e

a r d e r e , m i n

D

e n s i t a t e a

e p r u v e t e i ,

g / c m

3

Putere calorică, kJ/kg

D

e n s i t a t e a

e n e r g e t i c ă ,

k J / c m c ,

E

c . 2 7

V

i t e z a d e

a r d e r e ,

k J / m i n ,

E c . 2 8

R

e n d a m e n t

e n e r g e t i c ,

% ,

E

c . 2 9

C

o n ţ i n u t d e

u m i d i t a t e a ,

%

PCS PCI

Coaja

de

molid

0,510 32 0,463 19441 18943 8,782 306 - 0

0,491 25,5 0,446 17372 16672 7,45 289 97 10

0,710 26 0,645 15552 14153 9,14 309 92 20

0,789 28 0,717 10092 6594 4,73 93 69 50

Coaja

de plop

0,740 27 0,672 19655 19152 13,05 532 - 0

0,496 24,5 0,451 17563 16862 7,61 307 97 10

0,380 26 0,345 15723 14321 4,95 167 92 20

0,873 31 0,793 10203 6698 5,32 94 69 50

Coajade fag

0,890 25 0,809 19181 18681 15,32 674 - 0

0,660 26 0,600 17137 16737 10,04 382 98 100,637 26 0,579 15344 14544 8,42 285 96 20

0,879 32 0,799 9963 7963 6,36 109 84 50

3.2.6. PUTEREA CALORICĂ A RĂMĂŞIŢELOR OBŢINUTE DIN COMPOZITE

În practica industrială rezultă rămăşiţe de fabricaţie şi din compozitele lemnoase

procesate. Termenul de compozit este folosit pentru a descrie orice material complex pe baza de

lemn. Compozitele pe bază de lemn cuprind o gamă largă de produse, de la PFL şi grinzilamelare până la plăci OSB. Compozite pe bază de lemn sunt folosite pentru un număr de

aplicaţii, de la panouri de acoperire de interior, la panouri pentru utilizări exteriore, în mobilier şi

pentru sprijinirea de structuri a clădirilor . Componenţa principală de compozite pe bază de lemn

este lemnul, adesea 90 % sau mai mult din masa sa. Răşinile-liant utilizate în mod obişnuit

includ fenol-formaldehida, uree-formaldehidă, melamină-formaldehidă şi izocianat (Stark ş.a.

2011).


29/56

29

OSB adeziv, 18mm OSB aşchii orientate, 18 mm

Figura 34.

Influenţa umidităţii asupra puterii calorice superioare (PCS) şi inferioare (PCI) a materialelorcompozite

OSB adeziv, 18mm OSB aşchii orientate, 18mm

Figura 35.

Influenţa umidităţii asupra densităţii energetice şi vitezei de ardere a materialelor compozite

Randamentele energetice obţinute la combustia rămăşiţelor obţinute din compozite

lemnoase (Fig. 36) sunt optime în intervalul umidităţii de 10-20 % ca şi pentru celelalte tipuri de

biomasă analizate în cadrul cercetărilor experimentale şi sunt între 50 - 85 % atunci când

umiditatea este peste 50 %.

OSB adeziv, 18 mm OSB aschii orientate, 18 mm

Figura 36.

Influenţa umidităţii asupra randamentului energetic a materialelor compozite analizate


30/56


31/56

31

îmbunătăţeşte consistenţa suprafaţei brichetelor, iar cu tratări termice sau de activare a ligninei,

calitatea acestor produse va fi îmbunătăţită (Shulga ş.a. 2008).

3.3. ESTIMAREA PUTERII CALORICE A BIOMASEI

Procesul de ardere reprezintă un proces complex de natură fizică şi chimică. Reacţia de

ardere a biomasei lemnoase este reversibilă cu cea de generare a biomasei, aşa cum se observă în

Ec. 31 şi Fig. 43.

Cx HyOz + (x+y/4-z/2)O2 = CO2 + (y/2) H2O+

Cenuşa + Energie termică(31)

Figura 43.

Procesul ciclic de ardere şi de generare a biomasei lemnoase

Combustia conţine un număr de etape de bază, şi anume:

• Evaporarea apei;

• Aprinderea;

• Descompunerea termică a elementelor chimice (cu inserţie de aer primar);

• Combinaţie de elemente chimice pentru a forma unele gaze combustibile şi gaze de ardere;

• Arderea gazelor combustibile (cu inserţie de aer secundar);

• Arderea carbonului.

Cunoaşterea valorii puterii calorice aproximative a biomasei este necesară, în scopul de a

calcula cantitatea de combustibil, în orice moment. Predicţia poate fi obţinută prin următoareledouă metode:

- pe baza unor elemente chimice;

- pe baza compuşilor chimici.

Când elemente chimice precum carbon, hidrogen, oxigen, sulf, azot, etc, sunt luate în

considerare, se poate folosi în primul rând relaţia lui Channiwala şi Parikh (Chen ş.a. 2011a,

Chen ş.a. 2011b, Chen ş.a. 2012) (36):

PC =33,910·C /100+11,783· H /100-1,034·O/100+1,005·S /100-151· N /100-211· As/100[kJ/kg](36)


32/56

32

unde: C, H, O, S, N, Ca - cantitatea de carbon, hidrogen, oxigen, sulf, azot şi cenuşă, în %

exprimată ca masa uscată; 34910, 11,783,1,034, 1005, 151 şi 211, valorile puterii calorice ale

carbonului, hidrogenului, oxigenului, sulfului, azotului şi cenuşii, în kJ/kg.

O corelaţie de predicţie a puterii calorice superioare (luând în considerare faptul că 1 kcal

= 4,1868 kJ), în funcţie de puterea calorică a elementelor chimice, este relaţia lui Mendeleev(37):

PCS Mc=33,913·C /100-14,235·( H +O/8)/100-2,512·( Mc-9· H )/100 [kJ/kg] (37)

Pentru biomasa lemnoasă şi coajă (Mc = 0%), ecuaţia de mai sus (38) devine:

PC =33,913·C /100+8,373· H /100-1,779·O/100 [kJ/kg] (38)

Analizând ecuaţiile anterioare (36) şi (38) şi corelarea lor cu alte publicaţii în domeniu,

rezultă că:

- Carbonul se găseşte în proporţia cea mai mare (aproximativ 85% pentru combustibil lichid,dar aproximativ 50% pentru biomasa lemnoasă şi coajă), fiind principalul element

combustibil, deoar ece arderea completă produce 33 910 kJ / kg (33,9 MJ/kg);

- Hidrogenul se găseşte sub formă de combinaţii cu carbon (în hidrocarburi până la 25%) şi

arderea completă produce 14 310 kJ / kg (14,3 MJ/kg);

- Oxigenul se găseşte în cantităţi diferite (2 ÷ 44%, maximum la cărbunele de lemn); aceasta va

reduce puterea calorică, deoarece se găseşte în combinaţie cu carbonul şi hidrogenul şi, astfel,

o parte din aceste elemente combustibile sunt deja oxidate; prin urmare, căldura dată de

oxigen 1780 kJ kg (1,78 MJ/kg) va fi scăzută din căldură totală de combustie;

- Azotul se găseşte în cantităţi mici (0,8 ÷ 0,9%); este inactiv pentru ardere, se încălzeşte în

timpul procesului de ardere, consumând din cantitatea de căldură degajată de elementele care

produc căldură, astfel azotul reduce valoarea calorică a biomasei lemnoase şi cojii cu 151 kJ /

kg (0,151 MJ/kg); această influenţă este mică şi poate fi neglijată;

- Sulful se găseşte sub formă de compuşi necombustibili, în cantităţi variabile, între 0,1 şi 0,7%;

sulful produce 1005 kJ/kg (1,005MJ/kg); influenţa este la fel de mică şi poate fi neglijată;

- Conţinutul de cenuşă are o cantitate mică de carbon şi minerale, au o influenţă negativă şi scade

puterea calorică totală cu 211kJ/kg (0,211 MJ/kg); influenţa este mică şi poate fi neglijată.


33/56

33

Tabelul 18.

Predicţia puterii calorice a cojii cu relaţii în funcţie de elementele chimice

S p

e c i e

Elemente chimice, % Puterea calorică, PC, kJ/kg Ec 37.

Channiwala şiParikh

Ec 39.

Mendeleev

Ec 40. Experi

mental

ă

D i

f e r e n ţ e

v s v a

l o a r e

e x p e r i m e

M o l i d

C=49,9

H=8,2

O=38,1

N=0,6

S=0,03

As=3,17

17 501 16 931 17 416 18 973 Ec 37: -7,7

Ec 39: -

10,7

Ec 40: -8,2

P l o p

C=49,1

H=9,2

O=38,9

N=0,6

S=0,05

As=2,15

16 809 16 729 17 274 17 507 Ec 37: -3,8

Ec 39:-4,4

Ec 40:-1,3

M e s t e a c ă n

C=50,7

H=8,0O=37,5

N=0,6

S=0,04As=3,16

17 739 17 197 17 640 17 598 Ec 37:

+0,8Ec 39: -2,2

Ec 40:

+0,2

F a g

C=50,2

H=8,1

O=37,1

N=0,7

S=0,02

As=3,88

17 584 17 042 17 510 18 844 Ec 37:-6,6

Ec 39: -9,5

Ec 40: -7,0

Tabelul 19.

Predi cţia puterii calorice în funcţie de compuşii chimici principali Specie Compuşii

chimici, %

Putere calorică, PC, kJ/kg

D e v i a ţ i a

f a ţ ă d e

v a l o r i l e

e x p e r i m e n

t a l e ,

% ,Valori

experimentale

Ec 41.

Demirbas

Ec 42.

Molid Li=33

Ce+He=60

18 973 19 921 18 715 Ec 41: +4,9

Ec 42: -1,3

Plop Li=23

Ce+He=65

17 507 19 028 17 072 Ec 41:+ 7,9

Ec 42: -2,5

Meste

acăn Li=22

Ce+He=68

17 598 18 938 17 341 Ec 41:+ 7,0

Ec 42: -1,4

Fag Li=25

Ce+He=68

18 844 19 207 18 095 Ec 41:+1,8

Ec 42:-4,1

Pe baza consideraţiilor de mai sus, o nouă relaţie a fost identificată pentru produsele

lemnoase, respectiv:

PC =33,910·C /100+14,310· H /100-1,780·O/100 [kJ/kg] (39)


34/56

34

3.4. CONCLUZII

Combustia biomasei lemnoase indigene şi exotice, a rămăşiţelor compozitelor

lignocelulozice, a cojii şi a brichetelor/peleţilor a condus la obţinerea unei baze centralizatoare

referitoare la puterea calorică, a vitezei, densităţii şi randamentului energetic. Rezultatele privind puterea calorică au diferit de la o specie la alta (în funcţie de compoziţia chimică elementară şi

compuşii chimici principali ai speciilor), iar în cadrul aceleaşi specii s-a observat influenţa

negativă a conţinutului de umiditate.

Conţinutul de umiditate luat pentru analiză şi cercetare a fost de 20 % pentru lemnul de

foc şi tocătură, 10 % pentru brichete/peleţi şi 0%, pentru comparare. Conţinutul de 50 % este

considerat conform încercărilor, ca valoare maximă posibilă pentru masa lemnoasă ce este

folosită în calitate de combustibil solid, altfel randamentul instalaţiilor scade foarte mult.Umiditatea din combustibil are efectul de a absorbi o parte din căldura eliberată în timpul

procesului de ardere şi de a reduce cantitatea de căldură disponibilă.

Folosirea speciilor lemnoase precum speciile de salcie şi plop, care sunt pe larg

răspândite pe teritoriul Românie, este considerată avantajoasă în producerea energiei. Prin

folosirea lemnului se poate proteja mediul şi contribuie esenţial la reducerea de CO2 precum şi

efectele de încălzire globală. Conform graficelor, rezultă că intervalul optim al umidităţii la care

poate fi folosit eficient materialul lemnos este de 10-20%, iar randamentul pe care îl obţinem

conform rezultatelor este de 85-95%.

Privind aspectele perioadei de ardere a speciilor poate fi remarcat faptul că, plopul arde

repede, în consecinţă, căldura obţinută nu este menţinută fiind necesară de o cantitate mare de

material pentru a fi arsă. Fagul în comparaţie cu plopul, prezintă o ardere mai lentă, favorând

menţinerea căldurii, prin aceste aspecte se poate face şi economie de materie primă.

În cadrul cercetării s-au obţinut valori pentru speciile foioase a specii de fag de 19051

kJ/kg (19,051 MJ/kg) pentru conţinut de umiditate de 0%, iar pentru salcie s-a o bţinut valori de

19738 kJ/kg (19,738 MJ/kg) pentru material uscat, comparativ cu alte cercetări care au

înregistrat puteri calorice de 15410 – 19520 kJ/kg (15,41 – 19,52 MJ/kg), după cercetările lui

Erol (2010).

Pentru speciile de răşinoase, cea mai mare putere calorică s-a obţinut pentru specia de pin

silvetru (21676, kJ/kg) datorită faptului că prezintă un conţinut mare de răşină. La speciile

exotice s-au obţinut valori mari ale puterii claorice pentru speciile care prezită o densitate mai

mare precum guaiacul (20972 kJ/kg), iroko (21523 kJ/kg), erun (20720 kJ/kg).

Brichetele executate din materiale lemnoase au prezentat puteri calorice de 19502 kJ/kg

pentru cele executate din specia de molid, 18734 kJ/kg pentru cele executate din specia de fag,


35/56

35

peleţi din plop (19094 kJ/kg), comparativ cu rezultatele lui Berkesy ş.a. (2011) care consideră că

puterea calorică a peleţilor la umiditatea de 0 % este de 19700 kJ/kg (19,7 MJ/kg), iar cele

obţinute din cereale au puteri calorice între 18822 – 19221 kJ/kg (18,822 -19,221 MJ/kg),

comparativ cu valorile obţinute în lucrarea lui Alarua ş.a. (2011) de 16600 – 17070 kJ/kg (16,6 –

17,07 MJ/kg).

În prezent, pe piaţa energetică există o serie de produse superioare ale biomasei precum

peleţii şi brichetele. Acestea sunt formate prin comprimarea rumeguşului şi reprezintă un pas

înainte ca aspect economic şi utilizare eficientă a biomasei lemnoase. Densitatea calorică a

acestor materiale este mai bună decât a speciilor lemnoase folosite efectiv ca şi material

combustibil prin faptul că sunt folosite la umiditate de 10 % şi au un grad de compactare ridicat.

Capitolul 4. MĂRIREA PUTERII CALORICE PRIN TOREFIERE

4.1. ASPECTE INTRODUCTIVE

În prezent se cercetează o varietate de metode de îmbogăţire a caracteristicilor ener getice

a biomasei şi care să poată fi aplicabilă uşor în domeniul producerii energiei din biomasă.

Tratarea termică se folosesc tot mai larg în procesele de îmbunătăţire a caracteristicilor

mecanice sau fizico-chimice ale biomasei lemnoase. Modificarea structurii şi proprietăţilor

biomasei se obţine pe seama modificării compoziţiei chimice, oferind îmbogăţirea conţinutului

de carbon prin procesele de tratare termică.

Tratarea termică sau torefierea biomasei este o metodă promiţătoare şi de viitor pentru

promovarea biomasei ca material energetic cu valori apropiate de cele a combustibilor fosili

precum cărbunele şi huila. Totodată, acest proces poate valorifica eficienţa materialului tratat

prin folosirea cantităţilor mai mici de material tratat pentru producerea necesarului de energie în

comparaţie cu cantitatea de material ne tratat folosit pentru producerea energiei pentru o anumită

suprafaţă. Torefierea este un proces asemănător cu piroliza, diferenţiindu-se printr-o durată detratare mai scurtă şi care se petrece în intervaul de temperaturi mai mici de 200-300 oC (Chen

ş.a. 2010).

Procesele de torefiere sau de tratare termică rapidă sunt considerate de către cercetători

procese eficiente, care îmbogăţesc conţinutul de carbon al biomasei. Torefierea se consideră o

metodă de tratare termică a biomasei la temperaturi de 200-300 oC. Procesele de tratare termică

descrise de Bridgwater (2012), Sarvaramini ş.a. (2014), Uemura (2011) oferă produse

energetice complexe, într -o perioadă de reacţie mai scurtă, în comparaţie cu descompunerea biologică prin fermentare care durează foarte mult.


36/56

36

4.2. METODICA DE LUCRU

Metoda de lucru utilizată pentru mărirea puterii calorice a biomasei lemnoase se referă la

un procedeu de creştere a puterii calorice pentru micro- brichetele din rumeguş prin tratare

termică de scurtă durată a rumeguşului, în vederea măririi eficienţei energetice a biomasei

lemnoase. Brichetele din rumeguş sunt produse energetice compactizate, folosite din ce în ce mai

mult în ultima perioadă de timp, atât pentru sobe cât şi la centrale termice, a căror utilitate este

dată de faptul că sunt produse regenerabile realizate din biomasa lemnoasă, protejează şi sunt

prietenoase cu mediul înconjurător şi reduce volumul de transport şi depozitare.

Scopul principal al metodei este să furnizeze un procedeu de creştere a puterii calorice a

brichetelor lemnoase obţinute din rumeguş. Dezavantajele identificate din cercetările anterioare

sunt descreşterea gradul de comprimare a materialului, din aceste motive fiind necesară uneori

utilizarea unui liant/adeziv natural, care să nu influenţeze conţinutul de căldură obţinut în urma

exploatării. Acest tratament de torefiere va avea parametrii constanţi pentru rumeguşul speciilor

europene: temperatura de tratare termică de 200-300 0C şi timpul de tratare de 3, 5 şi 10 minute.

Valorile fixe ale duratei şi temperaturii de tratare termică sunt limitative superioare, deoarece

prin depăşirea acestor valori, chiar dacă puterea calorică se măreşte, coeziunea brichetelor

obţinute va scădea semnificativ. De asemenea, dispunerea rumeguşului în timpul tratării de

torefiere trebuie făcută sub forma unui strat subţire de maxim trei rânduri de particule, pe un

suport metalic din aliaj nichel-crom de tip creuzet, care să reziste la temperatura de tratare şi să

nu influenţeze major transmiterea căldurii sau să accentueze procesul de carbonizare. În cadrul

procesului de tratare termică a rumeguşului, operaţia de uscare a rumeguşului se va suprapune cu

cea de torefiere, în acest fel reducându-se cantitatea de energie suplimentară consumată.

Figura 46.

Cuptor de calcinare pentru tratare termică:1- element de deschidere a uşei ; 2- uşa pivotată; 3- corpul cuptorului; 4- gură de evacuare agazelor şi de introducere a aerului; 5- rezistenţe electrice; 6- creuzet cu proba; 7- suportcuptor ; 8 – cablu electric de alimentare; 9- programatorul cuptorului


37/56

37

Un alt exemplul de aplicare a metodei se referă la brichetele obţinute din rumeguş de

molid, tratate termic la 260 0C timp de 5 minute. Procedeul de obţinere a brichetelor şi de

prelevare a epruvetelor pentru determinarea puterii calorice cu ajutorul bombei calorimetrice este

identic ca în exemplul anterior. Valorile puterii calorice pentru brichetele din rumeguş de molid

tratat termic la 260 0C timp de cinci minute (PCS=19 671 kJ/kg şi PCI= 19 148 kJ/kg) sunt mai

mari cu 13,1 %, respectiv 13,2 %, faţă de cele rezultate din rumeguş ne-tratat (PCS=17 034 kJ/kg

şi PCI=16 452 kJ/kg) date obţinute pentru conţinutul de umiditate 10%. Se observă că rumeguşul

speciile de răşinoase tratat termic conduce la creşteri ale puterii calorice cu mult mai mari decât

cel al speciilor de foioase (Lunguleasa ş.a. 2014 – BOPI A00249).

Brichetele obţinute vor fi analizate din punctul de vedere al puterii calorice, dar şi a

integrităţii şi stabilităţii acestora. În cercetare s-au utilizat rumeguş de fag, stejar, molid şi larice.

4.3. REZULTATE ŞI DISCUŢII

Biomasa a fost şi este pe larg folosită în zonele ţărilor în curs de dezvoltare, ca principală

sursă de asigurare a necesarului energetic. Puterea calorică a biomasei lemnoase este dependentă

direct de compoziţia chimică elementară (carbon, hidrogen şi oxigen, în ordinea importanţei

acestora), dar şi de compuşii chimici principali ai lemnului (lignina, celuloza şi hemiceluloza, în

ordinea importanţei acestora).

4.3.1. Schimbări cromatice în compoziţia rumeguşului torefiat

În primul rând s-a observat schimbarea culorii, indiferent de specia studiată. Spre exemplu

molidul porneşte de la o culoare gălbuie (proba martor), se continuă cu un maro deschis (la 2400C) şi ajunge la un maro închis spre negru (la 300 0C).

a. b. c. d.

Figura 47.

Rumeguş tratat termic la temperatura de 200 – 300 o C, a. proba martor, b. 200o C, c.260 o C, d. 300 o C


38/56

38

Figura 48.

Schimbarea culorii micro- brichetelor tratate termic din lemn de fag la durata de 3, 5 şi10 minute (pe verticala) pentru temperaturi de 200, 220, 240, 260, 280, 300 oC (pe

orizontala)

Figura 49.

Schimbarea culorii micro-brichetelor tratate termic din lemn de stejar la durata de 3, 5

şi 10 minute (pe verticala) pentru temperaturi de 200, 220, 240, 260, 280, 300 oC (peorizontala)

Figura 50.

Schimbarea culorii micro-brichetelor tratate termic din lemn de Molid la durata de 3, 5 şi 10minute (pe verticala) pentru temperaturi de 200, 220, 240, 260, 280, 300 oC (pe orizontala)


39/56

39

Figura 51.

Schimbarea culorii micro- brichetelor tratate termic din lemn de Larice la durata de 3, 5 şi 10minute (pe verticala) pentru temperaturi de 200, 220, 240, 260, 280, 300 oC (pe orizontala)

4.3.2.Pierderile de masă în urma procesului de tratare termică/ torefiere

Pierderile de masă înregistrate după tratarea termică sunt datorate, conform explicaţiilor

cercetătorilor care au studiat

evaluarea si marirea puterii calorice a biomasei lemnoase

Documents