Biblid: 1450-5029 (2003)76; 5, p. 00.00 Originalni nau~ni radUDK: 633.11; 662.636; 681.5.015 Original scientific paper

MODELOVANJE PROCESA SAGOREVANJA BALIRANE PŠENI^NE SLAME MAKRODINAMI^KIM POSTUPKOM

MODELLING OF COMBUSTION PROCESS OF BALED WHEAT STRAW USING MICRODYNAMIC METHOD

Dr Todor JANI] dr Miladin BRKI], Nebojša DEDOVI], dipl. mat., Igor STOJKOVI] dipl. ing., Poljoprivredni fakultet, Novi Sad, Trg Dositeja Obradovi}a 8Faculty of Agriculture, Novi Sad, Trg Dositeja Obradovi}a 8

REZIME

Da bi se postigli dobri rezultati kod sagorevanja bala pšeni~ne slame u ložištu, mora se obezbediti niz preduslova. Od tih preduslova zavisi mehanizam i brzina sagorevanja bala slame, tj. oni definišu zakonitosti pod kojima se sagorevanje odvija. Do navedenih zakonitosti se veoma teško može do}i analiti~kim putem, pošto rezultati takvog prikazivanja procesa sagorevanja nisu dovoljno pouzdani. Mnogo ~eš}e se do njih dolazi eksperimentalnim istraživanjima koja se baziraju na teoretskim osnovama, tj. na tkz. statici, kinematici i dinamici procesa sagorevanja.

Cilj ovog rada je da se eksperimentalnim putem definišu zavisnosti koje }e odrediti dinamiku procesa sagorevanja, tj. na~in smanjenja mase balirane pšeni~ne slame.

Klju~ne re~i: eksperiment, sagorevanje, bala slame

SUMMARY

In order for satisfactory results to be achieved in wheat straw bales combustion in a combustion chamber, a number of prerequisites must be satisfied. These prerequisites shall determine the mechanism and the combustion speed of straw bales, i.e. they define the laws of the combustion process. It is very difficult to define these laws in analytical terms, since the result of such process modeling provides only insufficient reliability. It is much more common to obtain such laws by experimental investigation which is based on theoretical backgrounds, i.e. on the structure mechanics, kinematics and dynamics of the combustion process.

The aim of this paper is to experimentally define relationships which determine the dynamics of the combustion process, i.e. to determine the way to reduce the mass of the baled wheat straw.

Key words: experiment, combustion, straw bale

UVOD

Zbog sve ve}e potrošnje energije došlo je do zna~ajnog smanjenja raspoloživih koli~ina konvencionalnih energenata. Obnovljivi energenti }e zbog toga u mnogome dobiti na zna~aju. Jedan od najzna~ajnijih obnovljivih energenata je biomasa, iz koje se dobija energija koja je po svojim karakteristikama ravna energiji dobijenoj iz konvencionalnih, tj. fosilnih goriva. Pored toga biomasa je lako

dostupan i svake godine obnovljiv energent ~ije koriš}enje je isplativo sa veoma malim negativnim uticajima na životnu i radnu sredinu.

Za poljoprivredne rejone naše zemlje me|u najvažnijim potencijalima obnovljivih izvora energije se smatra pšeni~na slama.

Proces sagorevanja bala pšeni~ne slame je složen termo-difuzioni proces. Da bi se postigli dobri rezultati kod sagorevanja bala pšeni~ne slame u ložišnom prostoru, mora se obezbediti niz preduslova. Od tih preduslova zavisi mehanizam i brzina sagorevanja bala slame, tj. oni definišu zakonitosti pod kojima se sagorevanje odvija. Do navedenih zakonitosti se veoma teško može do}i analiti~kim putem, pošto rezultati takvog prikazivanja procesa sagorevanja nisu dovoljno pouzdani. Mnogo ~eš}e se do njih dolazi eksperimentalnim istraživanjima koja se baziraju na teoretskim osnovama, tj. na tkz. statici, kinematici i dinamici procesa sagorevanja.

Tako je i cilj ovog rada bio da se eksperimentalnim putem definišu zavisnosti koje }e odrediti dinamiku procesa sagorevanja, tj. na~in smanjenja mase balirane pšeni~ne slame.

Rezultati istraživanja mogu imati široku primenu. Izme|u ostalog, mogu se koristiti u svrhu poboljšanja konstrukcionih karakteristika postrojenja za sagorevanje balirane biomase, uvo|enja automatike i regulacionih ure|aja kod tih postrojenja, pove}anja stepena racionalizacije potrošnje goriva, kao i kod izgradnje novih ili adaptacije starih (postoje}ih) ložišta.

PREGLED LITERATURE

Uopšteno posmatraju}i, sagorevanje goriva predstavlja nau~nu oblast u kojoj osnovu prou~avanja predstavlja definisanje zakonitosti mehanizma i brzine pod kojim se proces sagorevanja odvija. Ta~ni mehanizami odvijanja procesa sagorevanja još ni kod najjednostavnijih goriva nisu u potpunosti rasvetljeni (Guli~ i sar, 1988).

U procesu sagorevanja balirane pšeni~ne slame (kao i kod ve}ine ~vrstih biogoriva) mogu se uo~iti nekoliko etapa sagorevanja kao što su: zagrevanje i sušenje, suva destilacija, tj. piroliza, sagorevanje i dogorevanje (\uri} i Bogner, 1981; Perunovi} i sar, 1985). Izme|u tih etapa nema ta~no odre|ene vremenske granice, tj. etape se prepli}u tokom odvijanja procesa.

Tokom odvijanja navedenih etapa zapažaju se znatne specifi~nosti procesa sagorevanja pšeni~ne slame. Tu se u prvom redu podrazumeva na~in prenosa mase i toplote kroz porozno telo (kakva je struktura pšeni~ne slame), vrednost specifi~ne toplote materijala, veliki udeo isparljivih gorivih materija u sastavu biogoriva, njihov na~in i vreme sagorevanja, sastav pepela i njegovo ponašanje tokom procesa sagorevanja i drugo.

U želji da se pšeni~na slama kao kvalitetno i obnovljivo biogorivo koristi u ve}oj meri u dosadašnjoj tehni~koj praksi je obavljeno više istraživanja. Navedena istraživanja su pre svega bila usmerena na bolje poznavanje intenziteta i na~ina smanjenja mase pšeni~ne slame u procesima sagorevanja, vrednosti temperatura pri kojima se odvijaju pojedine faze procesa sagorevanja, opsega temperatura koje karakterišu ponašanje mineralnih materija, dinamike smanjenja mase i drugo.

Kao primeri takvih istraživanja se mogu navesti teoretska istraživanja Babi}, Mirka i Ljiljane (1983) u kojem se pokušalo da se analiti~kim metodama objasne dešavanja koja se odvijaju tokom procesa sagorevanja bala slame u eksploatacionim uslovima.

Model u istraživanjima je predstavljala bala pšeni~ne slame u obliku paralelopipeda, ~iji su geometrijski parametri a, b, c predstavljeni na slici 1.a.

2

a) b)Slika 1. Model sagorevanja bale slame

Figure 1. Model of straw bale combustion(a- fizi~ki model, b- debljina upaljenog sloja)(a- physical model, b- burnt layer thickness)

U radu je predpostavljeno da bala sagoreva ravnomerno sa svih strana i da je debljina upaljenog sloja "" ista i da se vektor gradijenta temperature "premešta" ka središtu bale slame i da u mnogome zavisi od debljine upaljenog sloja i drugih uslova okoline.

Kao rezultat tih istraživanja dobijen je matemati~ki model koji opisuje proces sagorevanja prizmati~ne bale koji je prikazan jedna~inom 1:

. . . . . . (1)

gde je: C - konstantna vrednost; - c - maseni udeo ugljenika u gorivu; - karakteristika goriva; Hd - donja toplotna mo} goriva; Lst - stvarna koli~ina vazduha u procesu sagorevanja; f - odnos stvarne površine goriva u upaljenom sloju prema površini paralelopipeda bale); Fst - polovina po~etne površine paralelopipeda; w1 - konstantna brzina pomeranja elementarnog sloja; lo - zbir po~etnih dimenzija paralelopipeda i - vreme.

Tako|e u želji da prona|u što ve}i broj uticaja na proces sagorevanja bala slame, Jani} i sar. (2000) obavili su ispitivanja u vezi uticaja koli~ine dovedenog vazduha u proces sagorevanja, njegove procentualne raspore|enosti po prostoru i rastresanja bala tokom sagorevanja bala. Rezultati tih istraživanja su prikazani na slici 2, gde se može zapaziti uticaj navedenih faktora na vreme, a samim tim i na brzinu sagorevanja bala pšeni~ne slame. Oznake režima sl. 2 (23, 28, 23-p i 28-p) predstavljaju režime u ispitivanjima, pri željenim koeficijentima viška vazduha od =2,3 i =2,8, bez i sa nasilnim rastresanjem bala slame i u srazmeri vazduha od 65:35% koji se dovodio ispod i iznad sloja bale slame (respektivno). Oznake (o-23 i o-23-p) predstavljaju režime sa istim koeficijentom viška vazduha od =2,3 bez i sa rastresanjem bala, ali sa obrnutom srazmerom dovo|enja vazduha u ložište od 35:65%.

3

Slika 2. Histogram vremena sagorevanja (Jani} i sar, 2000)

Figure 2. Combustion time histogram (Jani} et al., 2000)

Rezultati koji su dobijeni u navedenim istra`ivanjima su potvrdili velik uticaj koli~ine vazduha koji se dovodi u lo`i{te, ali je iznenadila ~injenica o veli~ini uticaja rastresitosti bale koja sagoreva, kao i uticaj raspodele vazduha koji se dovodi iznad i ispod bale slame.

U daljim istraživanjima kinetike sagorevanja bala pšeni~ne slame Jani} (2000) je došao do matemati~kog modela (funkcionalne zavisnosti) koji opisuje smanjenje mase bala pšeni~ne slame u procesu njihovog sagorevanja, dobijenih pri razli~itim po~etnim sabijenostima bala slame i razli~itim režimima rada postrojenja, tj. pri razli~itim vrednostima koeficijenata viška vazduha (jedna~ina 2). Navedena jedna~ina ima vi{estruku primenljivost u praksi i njome je omogu}eno da se matemati~kom simulacijom predvidi stepen razlo`enosti bala slame i podesi re`im rada energetskog postrojenja.

Krajnji oblik matemati~kog modela prikazan je jedna~inom 2:

. . . . (2)

gde je: - sabijenost bala pšeni~ne slame (kg/m3); - koeficijent viška vazduha (/); - vreme (s).

Navedena, a i druga istraživanja mogu veoma dobro poslužiti kao osnova za dalja istraživanja u oblasti dinamike procesa sagorevanja, tj. odre|ivanja zavisnosti kod smanjenja mase bala pšeni~ne slame koje su u velikoj korelaciji sa gradijentom pomeranja zapaljenog sloja bale slame od oboda ka centru bale.

MATERIJAL I METOD ISTRAŽIVANJA

Kao materijal u radu je koriš}ena prizmati~na bala pšeni~ne slame, ~ije su gabaritne dimenzije sli~ne onima koje se sagorevaju u praksi. Time se omogu}ilo da dobijeni rezultati mogu imati adekvatnu primenu u praksi. Gabaritne dimenzije bale su iznosile 0,710,510,38 m, masa 6,15 kg, a gustina od 44,7 kg/m3.

Eksperimenti su ra|eni na postrojenju ~iju osnovu ~ini modifikovani toplovodni kotao proizvo|a~a “Bratstvo” iz Subotice, tipa UTK 40. Radna hipoteza prema kojoj su obavljena istraživanja u radu glasi: Više sagoreli slojevi bale slame imaju tamniju boju i u njima je maseni udeo mineralnih materija, tj. pepela ve}i nego kod slojeva slame koji su svetlije boje.

Planom rada predvi|en je slede}i postupak izvo|enja ispitivanja: Utvr|ivanje kinetike sagorevanja bala pšeni~ne slame sli~nih karakteristika – sastava, gabaritnih dimenzija i dr. prema termo-gravimetrijskom metodu (Jani}, 2000);

4

Zaustavljanje sagorevanja bale slame u ta~no definisanom vremenu - uduvavanjem ~istog azota u ložišni prostor; Odre|ivanje stepena sagorelosti pojedinih slojeva po obodu bale sagorevane slame, standardnom hemijskom metodom i Pronalaženje matemati~kog modela, tj. analiti~ke zavisnosti koja }e imati veliki stepen korelacije sa procesima sagorevanja balirane pšeni~ne slame na ravnoj rešetki.

Iz ložišta je izvu~en deo sagorevane bale, ~ije dimenzije su iznosile 37x29x20 cm. Od tog dela bale pšeni~ne slame su uzimani uzorci za dalja ispitivanja u cilju dobijanja matemati~kog modela, koji }e opisivati dinamiku sagorevanja bale pšeni~ne slame.

REZULTATI I DISKUSIJA REZULTATA ISTRAŽIVANJA

Bala slame je sagorevana u eksperimentalnom postrojenju u trajanju od 12 minuta, pri srednjoj teperaturi od 44oC i podpritisku u ložištu od 1-2 mmVS. Temperatura vode u sistemu postrojenja je bila 50-68oC. Koeficijent viška vazduha je iznosio = 2,3, sa raspodelom vazduha unutar ložišta takvom da je 35% dovo|eno sa gornje strane bale, a 65% sa donje strane bale.

Nakon 12 minuta ložište je skoro hermeti~ki zatvoreno, a u njegovu unutrašnjost je uba~eno preko 30 kg, tj. ~etiri boce azota koji se pomo}u posebno konstruisane opreme ravnomerno uduvavao oko bale slame.

Na obodu ugašenog i izva|enog dela bale iz ložišta su uo~eni slojevi razli~itih boja. Debljina slojeva nagorele pšeni~ne slame procenjivana je “od oka”, a u skladu sa njihovom bojom. Naziv i debljina sloja su prikazani na slici 3.

Slika 3. Ostatak bale pšeni~ne slame sa prikazanim sagorevanim slojevima iz kojih su uzimani uzorci

Figure 3. Residue of a wheat-straw bale with combusted layers which are sampled

(1 - crni (ugljenisani) sloj (E- uzorak, debljine 15 mm), 2- ~okoladno-crni sloj – koji je prema obodu tamniji (H- uzorak, debljine 6-7 mm), bliže sredini svetliji (D-

uzorak, debljine 4-5 mm), 3- oker sloj veoma nehomogene boje koji je bliže obodu tamniji (G- uzorak, debljine 4-5 mm), a prema sredini bale svetliji (V- uzorak,

debljine 3 mm), 4- slama koja nije po~ela da sagoreva, neposredno pre oker boje (B- uzorak, debljine 10 mm), 5- negorela slama žute boje (A- uzorak, debljine 20

mm), 6- slama iz sredine bale (O- uzorak), srednji sloj dela bale slame koji se nalazi izme|u dva oker sloja i koji se ne poklapa sa osom bale (pomeren je od ose za y

približno 50 mm, (K- uzorak), kontrolni uzorak iz druge bale pšeni~ne slame)(1 -black (carbonized) layer (E-sample, thickness 15 mm), 2- chocolate-black layer – which gets darker towards the rim (H-sample, thickness 6-7 mm), lighter near the

middle (D-sample, thickness 4-5 mm), 3- ochre layer of a very inhomogenous colour which is darker near the rim (V-sample, thickness 3-4 mm), gets lighter towards the

5

middle of the bale (G-sample, thickness 4 mm), 4- straw which has not started to burn yet, immediately before the ochre colour (B- sample, thickness 10 mm), 5-

lightly burnt straw yellow-coloured (A-sample, thickness 20 mm), 6- straw from the middle of the bale (O-sample), middle layer of the portion of the straw bale which is placed between two ochre layers and which is off the bale center (it is displaced by y which is approximately 50 mm, (K- sample), control sample from another wheat-

straw bale)

Zbog pojednostavljenja postupka i ve}e preciznosti pristupilo se radu sa

devet uzoraka iz šest slojeva (u više ponavljanja). Rezultati merenja uzoraka u cilju odre|ivanja stepena sagorelosti pojedinih

slojeva po obodu sagorevane bale slame koji su vršeni prema standardnoj hemijskoj metodi dati su u tabeli 1.

Tabela 1. Mase uzoraka i udeo pepela u uzorcima sagorevane baleTable 1. Masses of sample and proportion of ash in samples of combusted

bale

Naziv sloja Layer designation

Masa posudesa uzorkom

(mp+u) Mass of the

sample container

(mp+u)

Masa uzorka

(mu) Sample mass(mu)

Masa pepela (mpe)

Ash mass (mpe)

Udeo pepela u uzorku (h)

Proportion of ash in sample

(h)

(g) (g) (g) (%)K1 27,2794 1,1419 0,0425 3,72K2 23,8085 1,2601 0,0520 4,12O1 23,6690 1,1408 0,0741 6,49O2 23,6701 1,3028 0,0765 5,87A1 28,3979 1,1033 0,0555 5,03A2 23,5475 1,2094 0,0614 5,08B1 20,5005 1,1641 0,0593 5,09B2 28,8709 1,2908 0,0670 5,19V1 28,8163 1,2545 0,0640 5,10V2 26,6324 1,0836 0,0582 5,37G1 23,2177 0,4212 0,0215 5,10G2 22,5793 0,7675 0,0440 5,73D1 22,7915 0,6177 0,0432 6,99D2 22,3279 0,6290 0,0401 6,38H1 26,5798 0,5929 0,0486 8,20H2 23,0062 0,5837 0,0609 10,43E1 22,5312 0,6326 0,0703 11,12E2 22,8549 0,5175 0,0617 11,92

U tabeli 2. date su srednje vrednosti masenog udela pepela u slojevima E, |, D, G i V i te veli~ine su obeležene sa yk, k = 1,2,3,4,5. Veli~ine xk, k = 1,2,3,4,5 pred-stavljaju udaljenost sloja od ruba sagorevane bale.

Tabela 2. Srednja vrednost masenog udela pepela u slojevima E, H, D, G i VFigure 4. Mathematical and experimental relationship between the dynamics

of combustion of wheat-straw balesE sloj k=1

H slojk=2

D sloj k=3

G slojk=4

V sloj k=5

6

xk (cm) 1,5 2,2 2,7 3,2 3,5yk (%) 11,520 9,315 6,685 5,415 5,235

Na osnovu podataka iz tabele 2., pomo}u interpolacionog splajna sa “not-a-knot” grani~nim uslovima (Surla, Katarina, 1992.), dobijene su dve splajn funkcije h1(x) i h2(x) (jedna~ina 3) koje daju neprekidnu zavisnost udela ostataka mineralnih materija u sloju debljine od 0 do 35 mm, kolika je bila debljina sloja po obodu bale slame koja je sagorevala. Funkcija h1(x) je definisana na intervalu x1, x3 = 1,5; 2,7 a funkcija h2(x) na intervalu x3, x5 = 2,7; 3,5, gde je x udaljenost sloja od ivice sagorevane bale. Udeo nesagorelih ostataka kod ispitivanog dela bale se kretao u intervalu od 5-11,5%. Donja granica intervala (od 5%) predstavlja minimum udela nesagorelih ostataka, jer toliko nesagorelih ostataka ukupno ima u elementarnom sastavu pšeni~ne slame koja se koristila u ovim istraživanjima. Tako|e, nemogu}e je bilo odrediti udeo nesagorelih ostataka bale iznad gornje granice intervala od 11,5%, zato što je sagoreli sloj kod kojeg je udeo nesagorelih ostataka bio iznad navedene granice jednostavno otpado sa bale slame.

. . . . . . . . . . . . . . . . (3)

Da bi se navedeni matemati~ki model koji opisuje udeo nesagorelih ostataka u sloju bale pšeni~ne slame koja sagoreva na ravnoj rešetki mogao prikazati i grafi~ki (slika 4), neophodno je bilo da se funkcije iz jedna~ine 3, prošire na funkciju h(x) (jedna~ina 4). Funkcija h(x) omogu}uje da se na grafiku delovi krive koji su iznad i ispod intervala od 5% do 11,5% udela nasagorelih materija prikažu kao prave linije (koje predstavljaju konstantnu vrednost).

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4)

Na slici 4 mogu se uo~iti funkcija h(x) i ta~ke iz tabele 2. Funkcija h(x) predstavlja aproksimativnu zavisnost debljine sloja i masenog udela pepela. Dobijena zavisnost je zna~ajna i ona pokazuje da se sa pove}anjem rastojanja od ivice sagorevane bale slame (debljina sloja), maseni udeo smanjuje. Takva zavisnost je i o~ekivana, jer bala slame sagoreva od spolja{nje strane prema unutra{njosti.

7

Slika 4. Matemati~ka i eksperimentalna zavisnost dinamike sagorevanja bala pšeni~ne slame

ZAKLJU^CI

Na osnovu rezultata ispitivanja mogu se doneti slede}i zaklju~ci:- Analizom procentualnog udela pepela u eksperimentalnim uzorcima

potvr|ena je hipoteza da se u tamnijim slojevima nalazi ve}i procenat pepela.- Tamniji slojevi sagorevanog sloja slame se nalaze bliže obodu bale, što

potvr|uje dosadašnja istraživanja da bala u prvom periodu, sagoreva po površini u slojevima i da je gradijent temperature vektor orjentisan ka središtu bale.

- U radu je makrodinami~kim postupkom dobijen matemati~ki model koji u velikoj meri definiše zakonitost smanjenja mase bale pšeni~ne slame.

LITERATURA

1. Babi}, M., Babi}, Ljiljana: Prilog prou~avanju diskontinualnih procesa sagorevanja periodi~nog karaktera, ~asopis Savremana poljoprivredna tehnika, Vojvo|ansko društvo za poljoprivrednu tehniku, Novi Sad, IX(1983) 1-2, s. 35-41

2. Guli~, M., Brki}, Lj., Perunovi}, P.: Parni kotlovi, Mašinski fakultet, Beograd, 1988, s. 510

3. |uri}, V., Bogner, M.: Parni kotlovi – teorijske osnove i prora~uni, Mašinski fakultet, Beograd, 1981, s. 483

4. Jani}, T., Brki}, M., Kurunci, Z.: Kinetika sagorevanja bala pšeni~ne salme, ~asopis: PTEP, Jugoslovensko društvo za procesnu tehniku i energetiku u poljoprivredi, Novi Sad, IV(2000)3-4, s. 68-72

5. Jani}, T.: Kinetika sagorevanja balirane pšeni~ne slame, Doktorska disertacija, Poljoprivredni fakultet, Novi Sad, 2000, s. 120.

6. Perunovi}, P., Pešenjanski, I., Timoti}, U,: Istraživanje procesa sagorevanja poljoprivrednih otpadaka u vertikalnom sloju, Fakultet tehni~kih nauka, Novi Sad, 1985, s. 223

7. Surla, K.: Numeri~ke i statisti~ke metode u obradi eksperimentalnih podataka 3, Univerzitet u Novom Sadu, Institut za matematiku, Novi Sad, 1992.

Primljeno: 12.10.2003. Prihva}eno: 19.10.2003.

8