Single Particle and Packed Bed Combustion in Modern Gasifier Stoves—Density Effects

This article is concerned with a study of an unusual effect due to density of biomass pellets in modern stoves based on close-coupled gasification-combustion process. The two processes, namely, flaming with volatiles and glowing of the char show different effects. The mass flux of the fuel bears a constant ratio with the air flow rate of gasification during the flaming process and is independent of particle density; char glowing process shows a distinct effect of density. The bed temperatures also have similar features: during flaming, they are identical, but distinct in the char burn (gasification) regime. For the cases, wood char and pellet char, the densities are 350, 990 kg/m(3), and the burn rates are 2.5 and 3.5 g/min with the bed temperatures being 1380 and 1502 K, respectively. A number of experiments on practical stoves showed wood char combustion rates of 2.5 +/- 0.5 g/min and pellet char burn rates of 3.5 +/- 0.5 g/min. In pursuit of the resolution of the differences, experimental data on single particle combustion for forced convection and ambient temperatures effects have been obtained. Single particle char combustion rate with air show a near-d(2) law and surface and core temperatures are identical for both wood and pellet char. A model based on diffusion controlled heat release-radiation-convection balance is set up. Explanation of the observed results needs to include the ash build-up over the char. This model is then used to explain observed behavior in the packed bed; the different packing densities of the biomass chars leading to different heat release rates per unit bed volume are deduced as the cause of the differences in burn rate and bed temperatures.

Dispersion and vaporization of biofuels and conventional fuels in a crossflow pre-mixer

In lean premixed pre-vaporized (LPP) combustion, controlled atomization, dispersion and vaporization of different types of liquid fuel in the premixer are the key factors required to stabilize the combustion process and improve the efficiency. The dispersion and vaporization process for biofuels and conventional fuels sprayed into a crossflow pre-mixer have been simulated and analyzed with respect to vaporization rate, degree of mixedness and homogeneity. Two major biofuels under investigation are Ethanol and Rapeseed Methyl Esters (RME), while conventional fuels are gasoline and jet-A. First, the numerical code is validated by comparing with the experimental data of single n-heptane and decane droplet evaporating under both moderate and high temperature convective air now. Next, the spray simulations were conducted with monodispersed droplets with an initial diameter of 80 mu m injected into a turbulent crossflow of air with a typical velocity of 10 m/s and temperature of around 800K. Vaporization time scales of different fuels are found to be very different. The droplet diameter reduction and surface temperature rise were found to be strongly dependent on the fuel properties. Gasoline droplet exhibited a much faster vaporization due a combination of higher vapor pressure and smaller latent heat of vaporization compared to other fuels. Mono-dispersed spray was adopted with the expectation of achieving more homogeneous fuel droplet size than poly-dispersed spray. However, the diameter histogram in the zone near the pre-mixer exit shows a large range of droplet diameter distributions for all the fuels. In order to improve the vaporization performance, fuels were pre-heated before injection. Results show that the Sauter mean diameter of ethanol improved from 52.8% of the initial injection size to 48.2%, while jet-A improved from 48.4% to 18.6% and RME improved from 63.5% to 31.3%. The diameter histogram showed improved vaporization performance of jet-A. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Experiments and zero D modeling studies using specific Wiebe coefficients for producer gas as fuel in spark-ignited engines

The paper addresses experiments and modeling studies on the use of producer gas, a bio-derived low energy content fuel in a spark-ignited engine. Producer gas, generated in situ, has thermo-physical properties different from those of fossil fuel(s). Experiments on naturally aspirated and turbo-charged engine operation and subsequent analysis of the cylinder pressure traces reveal significant differences in the heat release pattern within the cylinder compared with a typical fossil fuel. The heat release patterns for gasoline and producer gas compare well in the initial 50% but beyond this, producer gas combustion tends to be sluggish leading to an overall increase in the combustion duration. This is rather unexpected considering that producer gas with nearly 20% hydrogen has higher flame speeds than gasoline. The influence of hydrogen on the initial flame kernel development period and the combustion duration and hence on the overall heat release pattern is addressed. The significant deviations in the heat release profiles between conventional fuels and producer gas necessitates the estimation of producer gas-specific Wiebe coefficients. The experimental heat release profiles are used for estimating the Wiebe coefficients. Experimental evidence of lower fuel conversion efficiency based on the chemical and thermal analysis of the engine exhaust gas is used to arrive at the Wiebe coefficients. The efficiency factor a is found to be 2.4 while the shape factor m is estimated at 0.7 for 2% to 90% burn duration. The standard Wiebe coefficients for conventional fuels and fuel-specific coefficients for producer gas are used in a zero D model to predict the performance of a 6-cylinder gas engine under naturally aspirated and turbo-charged conditions. While simulation results with standard Wiebe coefficients result in excessive deviations from the experimental results, excellent match is observed when producer gas-specific coefficients are used. Predictions using the same coefficients on a 3-cylinder gas engine having different geometry and compression ratio(s) indicate close match with the experimental traces highlighting the versatility of the coefficients.

Review on atomization and sprays of biofuels for IC engine applications

Ever increasing energy requirements, environmental concerns and energy security needs are strongly influencing engine researchers to consider renewable biofuels as alternatives to fossil fuels. Spray process being important in IC engine combustion, existing literature on various biofuel sprays is reviewed and summarized. Both experimental and computational research findings are reviewed in a detailed manner for compression ignition (CI) engine sprays and briefly for spark ignition (SI) engine sprays. The physics of basic atomization process of sprays from various injectors is included to highlight the most recent research findings followed by discussion highlighting the effect of physico-chemical properties on spray atomization for both biofuels and fossil fuels. Biodiesel sprays are found to penetrate faster and haw narrow spray plume angle and larger droplet sizes compared to diesel. Results of analytical and computational models are shown to be useful in shedding light on the actual process of atomization. However, further studies on understanding primary atomization and the effect of fuel properties on primary atomization are required. As far as secondary atomization is concerned, changes in regimes are observed to occur at higher air-jet velocities for biodiesel compared to those of diesel. Evaporating sprays revealed that the liquid length is longer for biodiesel. Pure plant oil sprays with potential use in CI engines may require alternative injector technology due to slower breakup as compared to diesel. Application of ethanol to gasoline engines may be feasible without any modifications to port fuel injection (PFI) engines. More studies are required on the application of alternative fuels to high pressure sprays used in Gasoline Direct Injection (GDI) engines.

Life-cycle analysis of energy and greenhouse gas emissions of automotive fuels in India: Part 2-Well-to-wheels analysis

In this second of the two-part study, the results of the Tank-to-Wheels study reported in the first part are combined with Well-to-Tank results in this paper to provide a comprehensive Well-to-Wheels energy consumption and greenhouse gas emissions evaluation of automotive fuels in India. The results indicate that liquid fuels derived from petroleum have Well-to-Tank efficiencies in the range of 75-85% with liquefied petroleum gas being the most efficient fuel in the Well-to-Tank stage with 85% efficiency. Electricity has the lowest efficiency of 20% which is mainly attributed due to its dependence on coal and 25.4% losses during transmission and distribution. The complete Well-to-Wheels results show diesel vehicles to be the most efficient among all configurations, specifically the diesel-powered split hybrid electric vehicle. Hydrogen engine configurations are the least efficient due to low efficiency of production of hydrogen from natural gas. Hybridizing electric vehicles reduces the Well-to-Wheels greenhouse gas emissions substantially with split hybrid configuration being the most efficient. Electric vehicles do not offer any significant improvement over gasoline-powered configurations; however a shift towards renewable sources for power generation and reduction in losses during transmission and distribution can make it a feasible option in the future. (C) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The environmental and economic sustainability of potential bioethanol from willow in the UK.

Life cycle assessment has been used to investigate the environmental and economic sustainability of a potential operation in the UK in which bioethanol is produced from the hydrolysis and subsequent fermentation of coppice willow. If the willow were grown on idle arable land in the UK, or, indeed, in Eastern Europe and imported as wood chips into the UK, it was found that savings of greenhouse gas emissions of 70-90%, when compared to fossil-derived gasoline on an energy basis, would be possible. The process would be energetically self-sufficient, as the co-products, e.g. lignin and unfermented sugars, could be used to produce the process heat and electricity, with surplus electricity being exported to the National Grid. Despite the environmental benefits, the economic viability is doubtful at present. However, the cost of production could be reduced significantly if the willow were altered by breeding to improve its suitability for hydrolysis and fermentation.

Modelling soot formation in a DISI engine

In this work, the formation of soot in a Direct Injection Spark Ignition (DISI) engine is simulated using the Stochastic Reactor Model (SRM) engine code. Volume change, convective heat transfer, turbulent mixing, direct injection and flame propagation are accounted for. In order to simulate flame propagation, the cylinder is divided into an unburned, entrained and burned zone, with the rate of entrainment being governed by empirical equations but combustion modelled with chemical kinetics. The model contains a detailed chemical mechanism as well as a highly detailed soot formation model, however computation times are relatively short. The soot model provides information on the morphology and chemical composition of soot aggregates along with bulk quantities, including soot mass, number density, volume fraction and surface area. The model is first calibrated by simulating experimental data from a Gasoline Direct Injection (GDI) Spark Ignition (SI) engine. The model is then used to simulate experimental data from the literature, where the numbers, sizes and derived mass particulate emissions from a 1.83 L, 4-cylinder, 4 valve production DISI engine were examined. Experimental results from different injection and spark timings are compared with the model and the qualitative trends in aggregate size distribution and emissions match the exhaust gas measurements well. © 2010 The Combustion Institute. Published by Elsevier Inc. All rights reserved.

Secondary Organic Aerosol Composition Studies Using Mass Spectrometry

Trace volatile organic compounds emitted by biogenic and anthropogenic sources into the atmosphere can undergo extensive photooxidation to form species with lower volatility. By equilibrium partitioning or reactive uptake, these compounds can nucleate into new aerosol particles or deposit onto already-existing particles to form secondary organic aerosol (SOA). SOA and other atmospheric particulate matter have measurable effects on global climate and public health, making understanding SOA formation a needed field of scientific inquiry. SOA formation can be done in a laboratory setting, using an environmental chamber; under these controlled conditions it is possible to generate SOA from a single parent compound and study the chemical composition of the gas and particle phases. By studying the SOA composition, it is possible to gain understanding of the chemical reactions that occur in the gas phase and particle phase, and identify potential heterogeneous processes that occur at the surface of SOA particles. In this thesis, mass spectrometric methods are used to identify qualitatively and qualitatively the chemical components of SOA derived from the photooxidation of important anthropogenic volatile organic compounds that are associated with gasoline and diesel fuels and industrial activity (C12 alkanes, toluene, and o-, m-, and p-cresols). The conditions under which SOA was generated in each system were varied to explore the effect of NO_x and inorganic seed composition on SOA chemical composition. The structure of the parent alkane was varied to investigate the effect on the functionalization and fragmentation of the resulting oxidation products. Relative humidity was varied in the alkane system as well to measure the effect of increased particle-phase water on condensed-phase reactions. In all systems, oligomeric species, resulting potentially from particle-phase and heterogeneous processes, were identified. Imines produced by reactions between (NH₄)₂SO₄ seed and carbonyl compounds were identified in all systems. Multigenerational photochemistry producing low- and extremely low-volatility organic compounds (LVOC and ELVOC) was reflected strongly in the particle-phase composition as well.

Caracterização de compostos aromáticos em gasolina comercial

A contaminação do ar e do meio ambiente por combustíveis derivados de petróleo tem sido objeto de crescente pesquisa no Brasil. Dentre os tipos de poluição ao meio ambiente, a poluição atmosférica é a que causa mais incômodo à população. Esta exerce efeitos sobre a saúde humana, causando desde simples irritações até câncer de pulmão. Dos poluentes mais perigosos encontrados nesses ambientes, são destaques os hidrocarbonetos e os compostos monoaromáticos como o benzeno, tolueno e xilenos (BTX), presentes nesses combustíveis, que são extremamente tóxicos à saúde humana. Para controle desses compostos orgânicos voláteis, é necessário quantificá-los e compará-los aos valores limites de tolerância legislados no Brasil. A utilização da técnica de cromatografia gasosa e da técnica de espectroscopia por infravermelho permite realizar essa tarefa de maneira relativamente simples e rápida. Portanto o objetivo deste trabalho foi apresentar a composição química de amostras de gasolina do tipo C comercializadas nos postos revendedores da Região Metropolitana do Estado do Rio de Janeiro. Foram feitas análises quantitativas dos principais grupos químicos (parafínicos, olefínicos, naftênicos e aromáticos) e etanol por Cromatografia Gasosa de Alta Resolução e da composição de benzeno, tolueno e xileno (BTX) pela técnica de absorção no infravermelho. Os resultados foram comparados com os limites dados pela especificação da ANP (Portaria n 309) para a qualidade da gasolina, com o objetivo de se verificar se estão em conformidade com este agente regulamentador. Os resultados mostraram que todos os teores encontrados de olefínicos e aromáticos foram abaixo do limite especificado. Alguns postos apresentaram os teores de benzeno acima do limite especificado, indicando um nível de ação por parte da ANP principalmente pela ação tóxica do benzeno

Avaliação de correlações para propriedades físico-químicas de frações de petróleo

O petróleo é uma mistura complexa consistindo em um número muito grande de hidrocarbonetos. A descrição completa de todos os hidrocarbonetos existentes nessas misturas é inviável experimentalmente ou consome tempo excessivo em simulações computacionais. Por esta razão, uma abordagem molecular completa para cálculos de propriedades dessas misturas é substituído por uma abordagem pseudo-componente ou por correlações entre propriedades macroscópicas. Algumas dessas propriedades são utilizadas de acordo com a regulamentação de venda de combustíveis, e.g., para gasolina. Dependendo do esquema de refino e do óleo cru utilizado para produção desse combustível, uma larga variedade de valores é encontrada para as propriedades de correntes de processo que compõe o combustível final. A fim de planejar com precisão adequada a mistura dessas correntes, modelos devem estar disponíveis para o cálculo preciso das propriedades necessárias. Neste trabalho, oito séries de combustíveis brasileiros e duas séries de combustíveis estrangeiros foram analisadas: frações de gasolina, querosene, gasóleo e diesel. As propriedades analisadas para as frações são: número de octano, teor de aromáticos, teor de enxofre, índice de refração, densidade, ponto de fulgor, ponto de fluidez, ponto de congelamento, ponto de névoa, ponto de anilina, pressão de vapor Reid e número de cetano. Diversas correlações foram avaliadas e os melhores desempenhos foram destacados, permitindo uma estimação precisa das propriedades do combustível avaliado. Um processo de re-estimação de parâmetros foi aplicado e novos modelos foram ajustados em comparação com os dados experimentais. Esta estratégia permitiu uma estimativa mais exata das propriedades analisadas, sendo verificada por um aumento considerável no desempenho estatístico dos modelos. Além disso, foi apresentado o melhor modelo para cada propriedade e cada série

Remediação de solos e lençóis freáticos em postos de gasolina via processo de fenton: estudo de caso

Alguns cientistas ambientais prevêem que a poluição dos solos será um dos maiores legados com grandes impactos para as gerações futuras, pois atualmente ainda existe desconhecimento das fontes poluidoras e da sua extensão. O Brasil, devido a sua extensão territorial, suas bacias hidrográficas, número de postos de abastecimentos e controles ambientais ainda ineficazes, está muito exposto a esse tipo de poluição. Atualmente, há no Brasil mais de 34.300 postos de combustíveis, com volume de 65.000.000 m3 de gasolina e diesel consumidos anualmente, conforme dados da Agência Nacional do Petróleo Gás Natural e Biocombustíveis , ANP, em 2008. Sendo assim, a exposição e contaminação dos solos e dos lençóis freáticos com constituintes aromáticos do diesel e gasolina torna-se um sério problema ambiental. Dentro deste grupo, encontram-se o benzeno, tolueno, xileno, conhecido como BTEX e os hidrocarbonetos policíclicos aromáticos, conhecido como PAH. Este trabalho tem como objetivo estudar a remediação in-situ de um posto de combustíveis na região do ABC Paulista, no Estado de São Paulo. Aplicando-se a técnica de Processo Oxidativo Avançado via reagente de Fenton (H2O2 + Fe2+ → Fe3+ + OH- + OH . ), o radical hidroxila gerado mineraliza compostos aromáticos, decompondo-os definitivamente. Amostras de água do posto em estudo apresentavam elevados teores de BTEX e PAH, 2,58 mg.L-1 e 0,298 mg.L-1 respectivamente, estando em níveis não tolerados pelo órgão ambiental paulista CETESB sendo necessária a intervenção para tratamento da área. Com os níveis de poluentes e o perfil hidrogeológico identificados, a remediação foi iniciada com injeções no solo de peróxido de hidrogênio a 8%v.v, FeSO4 a 0,40 mg.L-1 e solução à base de NPK (nitrogênio, fósforo e nitrogênio) a 100 mg.L-1 como nutrientes para os microorganismos do solo. Estes valores são provenientes de experimentos anteriores e tratamentos já realizados. Foram conduzidas campanhas de injeção trimestrais com 100 litros desta solução completa como reagente , e medições trimestrais de BTEX, PAH e outros parâmetros de controle, que foram indicando o sucesso do tratamento. Após 18 meses o local foi considerado tratado pelo órgão ambiental, onde monitoramentos semestrais estão em continuidade para garantir o resultado do tratamento e das ações corretivas. Assim, o estudo real da remediação de solos contaminados com os poluentes orgânicos via processo de Fenton, com concentração de H2O2 a 8%v/v, e FeSO4 a 0,40 mg.L-1 demonstrou-se uma técnica de sucesso. O entendimento dos resultados da remediação, mesmo sujeitos aos fenômenos naturais, como intempéries e chuvas, é uma experiência grande, pois por mais reais que simulações em laboratório possam ser, é muito difícil incluir nestes sistemas, as variações que um tratamento real está exposto

Traçadores isotópicos (Pb) e concentrações de metais em sedimentos superficiais: ferramentas na caracterização da poluição no setor oeste da baía de Sepetiba-RJ (SE do Brasil)

Este estudo teve como objetivo principal utilizar os teores de elementos-traço e análise isotópica de Pb (204Pb,206Pb,207Pb,208Pb) como ferramentas na caracterização da poluição da Baía de Sepetiba-RJ. As coletas de sedimento superficiais de fundo foram realizadas em três campanhas, em novembro de 2010, no setor oeste da Baía de Sepetiba RJ. A malha amostral é composta por 66 amostras (BSEP 001 a BSEP 066) coletadas com busca-fundo Van Veen. O pré-processamento das amostras ocorreu no Laboratório Geológico de Preparação de Amostras do Departamento de Geologia da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. A digestão parcial das amostras de sedimento (< 0.072 mm) para obtenção do teor parcial dos elementos-traço (Ag, As, Cd, Co, Cr, Cu, Li, Mn, Ni, Pb, Sr, U, Zn) e de isótopo de Pb (lixiviação) foi executada no Laboratório de Geoquímica Analítica do Instituto de Geociências da UNICAMP e a leitura foi executada através do ICP-MS. Já as análises das concentrações totais dos elementos-traço (inclusive, Hg) e de isótopos de Pb (dissolução total) foram realizadas no laboratório ACTLABS (Ontário-Canadá) através do ICP Varian Vista. As leituras isotópicas foram feitas somente nas amostras que apresentaram concentrações parciais de Pb, acima de 0,5 g/g, totalizando 21 estações. Pôde-se constatar a existência de um enriquecimento de elementos-traço no setor oeste da Baía de Sepetiba. As médias dos teores totais de Ag (0,4 g/g), Cd (0,76 g/g), Cu (62,59 g/g), Li (43,29 g/g), Ni (16,65 g/g), Pb (20,08 g/g), Sr (389,64 g/g) e Zn (184,82 g/g) excederam os limites recomendados ou valores naturais. Isto pode ser reflexo da influência antrópica na região, principalmente relacionada à atividade de dragagem e à permanência dos resíduos de minério da desativada companhia de minério Ingá, na Ilha da Madeira. Os mapas de distribuição da concentração dos metais-traço destacaram a presença de vários sítios de deposição ao longo do setor oeste da baía de Sepetiba, com destaque para a região entre a porção centro oeste da Ilha de Itacuruça e o continente; Saco da Marambaia e Ponta da Pombeba; e porção oeste da Ponta da Marambaia. As razões isotópicas 206Pb/207Pb da área estudada variaram entre 1,163 a 1,259 para dissolução total e 1,1749-1,1877 para técnica de lixiviação, valores considerados como assinaturas de sedimentos pós-industriais ou comparados à assinatura de gasolina. Ainda sobre a técnica de lixiviação, destaca-se que os sedimentos superficiais do setor oeste (206Pb/207Pb: 1,1789) da baía de Sepetiba apresentaram uma assinatura uniforme e menos radiogênica do que setor leste (206Pb/207Pb: 1,2373 e 1,2110) desta baía. Através da assinatura isotópica de Pb encontrada nesta região é possível destacar a pouca contribuição das águas oceânicas para esse sistema, entretanto, a circulação interna intensa das águas da baía permite a homogeneização destas. O emprego destes tipos de ferramentas no monitoramento ambiental da área mostrou-se bastante eficiente, sendo importante a continuidade desta abordagem de pesquisa a fim de auxiliar na implementação de um plano de manejo local.

El precio de la gasolina en España: distribución con restricciones verticales

[ES] Hemos realizado un análisis estructural del mercado de la gasolina en España para conocer la manera en la que se establecen los precios de la gasolina en comparación con los de la Unión Europea. Para ello analizamos la cadena de valor de las empresas más destacadas del mercado, así como las distintas barreras de entrada que limitan la competencia. Por último, destacamos las restricciones verticales que estas imponen a sus distribuidores minorista y su incidencia en el precio final del producto.

Evolução do refino de petróleo no Brasil

Este trabalho tem por objetivo apresentar a evolução da indústria do refino de petróleo no Brasil desde suas origens, sua evolução ao longo dos anos, explicitando as mudanças no perfil de produção, na matéria prima processada e na complexidade das nossas refinarias. Busca, também, apresentar os próximos passos para o refino de petróleo nacional, seus desafios face a produção de petróleos pesados e ácidos, bem como os impactos provocados pela necessidade de produção de derivados com especificações cada vez mais restritivas e com menor impacto ambiental. Optou-se pelo hidrorrefino como o primeiro grande passo para os próximos anos concluindo-se que unidades para o hidrotratamento de correntes intermediárias ou mesmo produto final assumirão um papel fundamental nos futuros esquemas de refino. Outra vertente importante analisada foi a necessidade de aumento de conversão, ressaltando-se que o caminho hoje escolhido de implantação de Unidades de Coqueamento Retardado se esgota no início da próxima década abrindo caminho para a tecnologia de hidroconversão de resíduo. Com relação à qualidade da gasolina e do óleo diesel foi apresentada uma proposta de esquema de refino para permitir o atendimento de especificações mais rígidas