SCIENTIFIC PAPER
Oba mehanizma zmanjšujeta negativne vplive kratkih rezidenčnih časov gorljive zmesi z LW, ki nižajo hitrost zgorevalnih reakcij. Izpusti CO sledijo podobnemu trendu kot izpusti THC, saj nastajajo zaradi podobnih vzrokov. Podobni trendi za izpuste CO so bili predstavljeni tudi z nekaterimi drugimi sorodnimi gorivi, ki imajo neugodne kemijsko-fizikalne lastnosti, vendar še
w w w . z v e z a - z s i s . s i
b) Viskoznost: visoka viskoznost LW otežuje proces formiranja curka in posledično tvorbo gorljive zmesi. Višje temperature v zgorevalni komori pri višjih TIT povečujejo prestop toplote in s tem izparevanje ter difuzijo in advekcijo par goriva.
s l o v e n i j e
a) Molekulska sestava goriva: lignin in produkti njegovega razpada vsebujejo veliko količino cikličnih spojin, ki znatno zmanjšujejo možnost samovžiga LW. Visoke temperature v zgorevalni komori so torej nujne za zagotavljanje dovolj visokih hitrosti reakcij zgorevanja LW, ki ima predvidoma nizko cetansko število.
i n ž e n i r j e v
Predstavljena študija je vključevala tudi variacijo TIT za namene globlje fenomenološke analize zgorevanja LW. Na sliki 3.1 je tako opazen zanimiv trend izpustov CO in THC .V primeru LW je očitno, da višja TIT niža izpuste THC zaradi poznejšega zaustavljanja reakcij zgorevanja in višjih reakcijskih konstant. Nižanje izpustov THC je pri LW opazno kljub temu, da se zaradi višanja EQR niža dilucijsko razmerje izpušnih plinov. Mehanizmi, ki povzročajo zmanjšanje koncentracij THC z naraščajočo TIT pri LW je mogoče strniti v:
Na izpuste NOx v glavnem vplivata dva mehanizma. Glavna reakcijska pot v turbinskih motorjih je Fenimorjev ali promptni NOx, ki nastaja na mestih s primanjkljajem kisika in pri relativno nizkih temperaturah (~750°C) [10,11]. Zeldovichev ali termalni NOx nastaja predvsem pri visokih temperaturah, zato povečevanje NOx s TIT pri D2 in LW nakazuje predvsem na znaten prispevek slednjega. V primeru LW1 je potrebno upoštevati visoko vsebnost kisika v gorivu, ki potencialno znižuje prispevek promptnih NOx, saj ti nastajajo predvsem v območjih z nižjo temperaturo in nižjim razmerjem zrak-gorivo s pomočjo CH radikalov [11]. Glede na prikazane trende je mogoče razviti hipotezo, da je LW v smislu NOx bolj občutljiv na spremembe TIT kot D2, kar nakazuje na to, da v spodnjem območju TIT prevladuje zaviranje promptnega mehanizma, pri višjih TIT pa intenziviranje termalnega mehanizma nastanka NOx. Pomemben prispevek je potrebno pripisati tudi dušiku v gorivu (FBN – Fuel bound nitrogen), ki se običajno zelo učinkovito pretvori v NOx. Že minimalne vsebnosti FBN lahko privedejo do znatnega povečanja izpustov NOx [11] , zato je mogoče sklepati, da bi bili izpusti NOx še nižji v absolutnem smislu kot pri D2, v kolikor v LW ne bi bilo prisotnega FBN.
s t r o j n i h
3.2 Vpliv TIT na plinaste izpuste škodljivih snovi
vedno bistveno bolj ugodne kot LW [9]. To potrjuje hipotezo, da je TIT ključni parameter za doseganje nizkih izpustov CO ob uporabi LW v turbinskih motorjih.
z v e z a
Visoki izpusti CO in THC so torej v veliki meri posledica interakcij med geometrijo zgorevalne komore, tokovnega polja in lastnosti goriva. Ker uporabljena zgorevalna komora ni optimirana za uporabo LW, optimizacija izpustov CO pa je običajno v zgorevalnih komorah turbinskih motorjev opravljena le za ozko območje EQR, je mogoče sklepati, da bi z ustreznim načrtovanjem geometrije lahko izpusti CO in THC še znatno znižali. Vpliv Tg na izpuste NOx ni pri 90 in 100 °C ni dovolj izrazit, da bi bilo mogoče identificirati specifične mehanizme, medtem ko se je pri Tg = 110 °C mogoče sklicevati na pojave prisotne pri nastanku CO in THC, saj neustrezen proces razprševanja povečuje izpuste NOx [8].
3.3 Vpliv TIT in Tg na izpuste trdnih delcev Izpusti PM so prikazani na Sliki 6. Absolutna razlika med LW in D2 nakazuje okvirno petkrat višje izpuste PM z LW kot z D2, ter relativno nizko odvisnost od Tg pri LW. Odvisnost od TIT je v veliki meri posledica različnih EQR pri posameznih TIT, ki pri višjih TIT zmanjšujejo efekt dilucije izpušnih plinov s presežnim zrakom. To nakazuje, da bi ob korekciji koncentracij na enako vsebnost kisika v izpušnih plinih vpliv TIT skoraj v celoti izzvenel. Izpusti PM so torej bolj povezani s količino dovedenega goriva kot pa s fenomenološkim vplivom EQR (vpliv presežka zraka, vpliv TIT), ki ima za posledico nastanek saj. Sprememba EQR ima manjši vpliv na PM predvsem zaradi dejstva, da je formiranje saj v primeru tako visoko oksigeneranega goriva kot je LW, zelo omejeno, spremenjena pa je tudi morfologija saj in kinetika njihove oksidacije. Vzroke za povečane izpuste PM je torej iskati v morebitnih 9
SCIENTIFIC PAPER žvepla v LW, kar je posledica uporabe kislega katalizatorja med utekočinjanjem. Ker LW predvidoma ne vsebuje Fe, je ta element mogoče obravnavati kot kontaminant ter je najverjetneje povezan z vnosom železovih spojin v LW med samim procesom proizvodnje LW.
[2] Rezzoug SA, Capart R. Liquefaction of wood in two successive steps: Solvolysis in ethyleneglycol and catalytic hydrotreatment. Appl Energy 2002;72:631–44.
s t r o j n i h
[3] Seljak T, Rodman Oprešnik S, Kunaver M, Katrašnik T. Wood, liquefied in polyhydroxy alcohols as a fuel for gas turbines. Appl Energy 2012;99:40–9. [4] Seljak T, Oprešnik SR, Kunaver M, Katrašnik T. Effects of primary air temperature on emissions of a gas turbine fired by liquefied spruce wood. Biomass and Bioenergy 2014;71:394–407.
i n ž e n i r j e v
[5] Seljak T, Kunaver M, Katrašnik T. Emission Evaluation of Different Types of Liquefied Wood. Strojniški Vestn – J Mech Eng 2014;60:221–31. [6] Seljak T, Uporaba inovativnega lignoceluloznega biogoriva za pogon plinskih turbin, doktorska disertacija, Univerza v Ljubljani, 2016.
s l o v e n i j e
[7] Seljak T, Širok B, Katrašnik T. Advanced fuels for gas turbines: Fuel system corrosion, hot path deposit formation and emissions. Energy Convers Manag 2016:2016.
w w w . z v e z a - z s i s . s i
Študija predstavlja potrditev možnosti uporabe LW v turbinskih motorjih. Ključni ukrepi za zagotovitev delovanja so uporaba nadtlačnega sistema za predgretje goriva ter poznavanje obnašanja goriva med zgorevanjem ter vpliv ključnih lastnosti goriva na zgorevanje. Splošni trendi so razkrili ugoden vpliv višjih Tg, ki pa zahteva ustrezno določitev, saj je v posameznih turbinskih motorjih pričakovati optimalno vrednost Tg, nad katero se bodo izpusti CO in THC ponovno pričele povečevati. Podoben, a nekoliko enakomernejši vpliv ima tudi TIT, ki pa hkrati negativno vpliva na izpuste NOx, ki pa so relativno nizki in so primerljivi z izpusti NOx ob uporabi D2. Obstoječi trendi v modernih MGT bi zaradi višjih TIT omogočali doseganje še bistveno nižjih izpustov CO in THC. Izpusti PM izkazujejo zelo nizko vsebnost saj, kar nakazuje na znatno vsebnost pepela v gorivu, ki pa ga je predvidoma mogoče odstraniti z ustreznimi ukrepi (filtracija, uporaba ustreznih materialov) v procesu priprave goriva, saj kontaminanti izvirajo predvsem iz postopka priprave goriva.
[1] Kunaver M, Medved S, Čuk N, Jasiukaityte E, Poljanšek I, Strnad T. Application of liquefied wood as a new particle board adhesive system. Bioresour Technol 2010;101:1361–8. z v e z a
4. Zaključki
Literatura
[8] Sharma N, Som S. Influence of fuel volatility and spray parameters on combustion characteristics and NOx emission in a gas turbine combustor. Appl Therm Eng 2004;24:885–903. [9] Donaldson AB. Combustion of waste trap grease oil in gas turbine generator. Fuel 2010;89:549–53. [10] Habib Z, Parthasarathy R, Gollahalli S. Performance and emission characteristics of biofuel in a small-scale gas turbine engine. Appl Energy 2010;87:1701–9. [11] Warnatz J, Maas U, Dibble RW. Combustion. Springer, Berlin, 2006. [12] Werkelin J, Skrifvars BJ, Hupa M. Ash-forming elements in four Scandinavian wood species. Part 1: Summer harvest. Biomass and Bioenergy 2005;29:451–66.
11