Estudio y análisis de eficiencia de un quemador de fuel oil N. 6, con calentamiento del aire de pulverización para un caldero de 300 BPH

La presente tesis está enfocada al análisis estrictamente de la combustión de un quemador de aceite (fuel oil # 6) para un caldero degeneración de vapor de agua de 300 BHP de potencia, el cual para su atomización del combustible usa aire comprimido a 40 PSI de presión y una temperatura que va desde los 15 ºC hasta los 150 ºC según nuestra particular implementación del sistema de calentamiento. El desarrollo emprende desde un marco teórico de los quemadores, sus partes consistentes, el combustible, clasificación, propiedades y características. De manera muy particular nos centramos en el proceso de combustión por cuanto es la parte medular del presente documento, así como generalidades, fundamentos, los elementos y productos, los comportamientos de éstos en la combustión. Además enfocamos conceptos básicos de tipos de combustión. En una forma analítica se establece la ecuación general de la combustión, una evaluación de la energía liberada en el proceso, en base al volumen y composición de lso productos que intervienne en la misma, yademás de la forma de cómo calibrar el equipo o sistema para obtener combustion lo más eficiente posible, sea produciendo energía calorífica más alta posible con el mínimo requerido posible de combustión. Se enfoca en el presente documento un análisis de las relaciones termodinámicas en la combustión como: la entalpía de los elementos como de los productos, las entalpías de formación de los mismos, le energía interna de los gases productos, y de la entropía o irreversibilidades del proceso total de combustión. La determinación del calor generado más la temperatura de llama adiabática son temas fundamentales en el desarrollo del tema, es por lo tanto parte importante del documento. Ya en el análisis experimental se parte del hecho de tener instalado a modo de prueba un intercambiador de calor para calentar el aire de atomización en uncaldero específico, esto es en un caldero de 300 BHP de potencia, de generación de vapor de agua de 100 PSI de presión, en la empresa Tejidos Pintex, y el análisis va enfocado a determinar la efectividad o no de calentar el aire de atomización, y de ser así cuantificar los beneficios del sistema.

Biodiesel fuel formulation

O consumo de energia a nível mundial aumenta a cada dia, de forma inversa aos recursos fósseis que decrescem de dia para dia. O sector dos transportes é o maior consumidor deste recurso. Face ao actual cenário urge encontrar uma solução renovável e sustentável que permita não só, diminuir a nossa dependência de combustíveis fósseis mas fundamentalmente promover a sua substituição por energias de fontes renováveis. O biodiesel apresenta-se na vanguarda das alternativas aos combustiveis derivados do petróleo, para o sector dos transportes, sendo considerado uma importante opção a curto prazo, uma vez que o seu preço pode ser competitivo com o diesel convencional, e para a sua utilização o motor de combustão não necessita de alterações. O biodiesel é uma mistura líquida, não tóxica, biodegradável de ésteres de ácidos gordos, sem teor de enxofre ou compostos aromáticos, apresenta boa lubricidade, alto número de cetano, e origina emissões gasosas mais limpas. O presente trabalho contribui para um melhor conhecimento da dependência das propriedades termofisicas do biodiesel com a sua composição. A publicação de novos dados permitirá o desenvolvimento de modelos mais fiáveis na previsão do comportamento do biodiesel. As propriedades densidade e viscosidade são o espelho da composição do biodiesel, uma vez que dependem directamente da matéria prima que lhe deu origem, mais do que do processo de produção. Neste trabalho os dados medidos de densidade e viscosidade de biodiesel foram testados com vários modelos e inclusivamente foram propostos novos modelos ajustados para esta família de compostos. Os dados medidos abrangem uma ampla gama de temperaturas e no caso da densidade também foram medidos dados a alta pressão de biodiesel e de alguns ésteres metilico puros. Neste trabalho também são apresentados dados experimentais para o equilíbrio de fases sólido-liquído de biodiesel e equlibrio de fases líquidolíquido de alguns sistemas importantes para a produção de biodiesel. Ambos os tipos de equilíbrio foram descritos por modelos desenvolvidos no nosso laboratório. Uma importância especial é dado aqui a propriedades que dependem do perfil de ácidos gordos da matéria-prima além de densidade e viscosidade; o índice de iodo e temperature limite de filtrabalidade são aqui avaliados com base nas considerações das normas. Os ácidos gordos livres são um sub-produto de refinação de óleo alimentar, que são removidos na desodoração, no processo de purificação do óleo. A catálise enzimática é aqui abordada como alternativa para a conversão destes ácidos gordos livres em biodiesel. Estudou-se a capacidade da lipase da Candida antartica (Novozym 435) para promover a esterificação de ácidos gordos livres com metanol ou etanol, utilizando metodologia de superfície de resposta com planeamento experimental. Avaliou-se a influência de diversas variáveis no rendimento da reacção.

Optimization models for a short sea fuel oil distribution problem

O transporte marítimo e o principal meio de transporte de mercadorias em todo o mundo. Combustíveis e produtos petrolíferos representam grande parte das mercadorias transportadas por via marítima. Sendo Cabo Verde um arquipelago o transporte por mar desempenha um papel de grande relevância na economia do país. Consideramos o problema da distribuicao de combustíveis em Cabo Verde, onde uma companhia e responsavel por coordenar a distribuicao de produtos petrolíferos com a gestão dos respetivos níveis armazenados em cada porto, de modo a satisfazer a procura dos varios produtos. O objetivo consiste em determinar políticas de distribuicão de combustíveis que minimizam o custo total de distribuiçao (transporte e operacões) enquanto os n íveis de armazenamento sao mantidos nos n íveis desejados. Por conveniencia, de acordo com o planeamento temporal, o prob¬lema e divido em dois sub-problemas interligados. Um de curto prazo e outro de medio prazo. Para o problema de curto prazo sao discutidos modelos matemáticos de programacao inteira mista, que consideram simultaneamente uma medicao temporal cont ínua e uma discreta de modo a modelar multiplas janelas temporais e taxas de consumo que variam diariamente. Os modelos sao fortalecidos com a inclusão de desigualdades validas. O problema e então resolvido usando um "software" comercial. Para o problema de medio prazo sao inicialmente discutidos e comparados varios modelos de programacao inteira mista para um horizonte temporal curto assumindo agora uma taxa de consumo constante, e sao introduzidas novas desigualdades validas. Com base no modelo escolhido sao compara¬das estrategias heurísticas que combinam três heur ísticas bem conhecidas: "Rolling Horizon", "Feasibility Pump" e "Local Branching", de modo a gerar boas soluçoes admissíveis para planeamentos com horizontes temporais de varios meses. Finalmente, de modo a lidar com situaçoes imprevistas, mas impor¬tantes no transporte marítimo, como as mas condicões meteorológicas e congestionamento dos portos, apresentamos um modelo estocastico para um problema de curto prazo, onde os tempos de viagens e os tempos de espera nos portos sao aleatórios. O problema e formulado como um modelo em duas etapas, onde na primeira etapa sao tomadas as decisões relativas as rotas do navio e quantidades a carregar e descarregar e na segunda etapa (designada por sub-problema) sao consideradas as decisoes (com recurso) relativas ao escalonamento das operacões. O problema e resolvido por um metodo de decomposto que usa um algoritmo eficiente para separar as desigualdades violadas no sub-problema.

Effect of vehicle characteristics on safety, fuel use and emissions

Nos últimos anos, o número de vítimas de acidentes de tráfego por milhões de habitantes em Portugal tem sido mais elevado do que a média da União Europeia. Ao nível nacional torna-se premente uma melhor compreensão dos dados de acidentes e sobre o efeito do veículo na gravidade do mesmo. O objetivo principal desta investigação consistiu no desenvolvimento de modelos de previsão da gravidade do acidente, para o caso de um único veículo envolvido e para caso de uma colisão, envolvendo dois veículos. Além disso, esta investigação compreendeu o desenvolvimento de uma análise integrada para avaliar o desempenho do veículo em termos de segurança, eficiência energética e emissões de poluentes. Os dados de acidentes foram recolhidos junto da Guarda Nacional Republicana Portuguesa, na área metropolitana do Porto para o período de 2006-2010. Um total de 1,374 acidentes foram recolhidos, 500 acidentes envolvendo um único veículo e 874 colisões. Para a análise da segurança, foram utilizados modelos de regressão logística. Para os acidentes envolvendo um único veículo, o efeito das características do veículo no risco de feridos graves e/ou mortos (variável resposta definida como binária) foi explorado. Para as colisões envolvendo dois veículos foram criadas duas variáveis binárias adicionais: uma para prever a probabilidade de feridos graves e/ou mortos num dos veículos (designado como veículo V1) e outra para prever a probabilidade de feridos graves e/ou mortos no outro veículo envolvido (designado como veículo V2). Para ultrapassar o desafio e limitações relativas ao tamanho da amostra e desigualdade entre os casos analisados (apenas 5.1% de acidentes graves), foi desenvolvida uma metodologia com base numa estratégia de reamostragem e foram utilizadas 10 amostras geradas de forma aleatória e estratificada para a validação dos modelos. Durante a fase de modelação, foi analisado o efeito das características do veículo, como o peso, a cilindrada, a distância entre eixos e a idade do veículo. Para a análise do consumo de combustível e das emissões, foi aplicada a metodologia CORINAIR. Posteriormente, os dados das emissões foram modelados de forma a serem ajustados a regressões lineares. Finalmente, foi desenvolvido um indicador de análise integrada (denominado “SEG”) que proporciona um método de classificação para avaliar o desempenho do veículo ao nível da segurança rodoviária, consumos e emissões de poluentes.Face aos resultados obtidos, para os acidentes envolvendo um único veículo, o modelo de previsão do risco de gravidade identificou a idade e a cilindrada do veículo como estatisticamente significativas para a previsão de ocorrência de feridos graves e/ou mortos, ao nível de significância de 5%. A exatidão do modelo foi de 58.0% (desvio padrão (D.P.) 3.1). Para as colisões envolvendo dois veículos, ao prever a probabilidade de feridos graves e/ou mortos no veículo V1, a cilindrada do veículo oposto (veículo V2) aumentou o risco para os ocupantes do veículo V1, ao nível de significância de 10%. O modelo para prever o risco de gravidade no veículo V1 revelou um bom desempenho, com uma exatidão de 61.2% (D.P. 2.4). Ao prever a probabilidade de feridos graves e/ou mortos no veículo V2, a cilindrada do veículo V1 aumentou o risco para os ocupantes do veículo V2, ao nível de significância de 5%. O modelo para prever o risco de gravidade no veículo V2 também revelou um desempenho satisfatório, com uma exatidão de 40.5% (D.P. 2.1). Os resultados do indicador integrado SEG revelaram que os veículos mais recentes apresentam uma melhor classificação para os três domínios: segurança, consumo e emissões. Esta investigação demonstra que não existe conflito entre a componente da segurança, a eficiência energética e emissões relativamente ao desempenho dos veículos.

Mercaptans extraction from jet-fuel streams using ionic liquids

Desulfurization is one of the most important processes in the refining industry. Due to a growing concern about the risks to human health and environment, associated with the emissions of sulfur compounds, legislation has become more stringent, requiring a drastic reduction in the sulfur content of fuel to levels close to zero (< 10 ppm S). However, conventional desulfurization processes are inefficient and have high operating costs. This scenario stimulates the improvement of existing processes and the development of new and more efficient technologies. Aiming at overcoming these shortcomings, this work investigates an alternative desulfurization process using ionic liquids for the removal of mercaptans from "jet fuel" streams. The screening and selection of the most suitable ionic liquid were performed based on experimental and COSMO-RS predicted liquid-liquid equilibrium data. A model feed of 1-hexanethiol and n-dodecane was selected to represent a jet-fuel stream. High selectivities were determined, as a result of the low mutual solubility between the ionic liquid and the hydrocarbon matrix, proving the potential use of the ionic liquid, which prevents the loss of fuel for the solvent. The distribution ratios of mercaptans towards the ionic liquids were not as favorable, making the traditional liquid-liquid extraction processes not suitable for the removal of aliphatic S-compounds due to the high volume of extractant required. This work explores alternative methods and proposes the use of ionic liquids in a separation process assisted by membranes. In the process proposed the ionic liquid is used as extracting solvent of the sulfur species, in a hollow fiber membrane contactor, without co-extracting the other jet-fuel compound. In a second contactor, the ionic liquid is regenerated applying a sweep gas stripping, which allows for its reuse in a closed loop between the two membrane contactors. This integrated extraction/regeneration process of desulfurization produced a jet-fuel model with sulfur content lower than 2 ppm of S, as envisaged by legislation for the use of ultra-low sulfur jet-fuel. This result confirms the high potential for development of ultra-deep desulfurization application.

Anodes for protonic ceramic fuel cells (PCFCs)

One of the more promising possibilities for future “green” electrical energy generation is the protonic ceramic fuel cell (PCFC). PCFCs offer a low-pollution technology to generate electricity electrochemically with high efficiency. Reducing the operating temperature of solid oxide fuel cells (SOFCs) to the 500-700°C range is desirable to reduce fabrication costs and improve overall longevity. This aim can be achieved by using protonic ceramic fuel cells (PCFCs) due to their higher electrolyte conductivity at these temperatures than traditional ceramic oxide-ion conducting membranes. This thesis deals with the state of the art Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anodes for PCFCs. The study of PCFCs is in its initial stage and currently only a few methods have been developed to prepare suitable anodes via solid state mechanical mixing of the relevant oxides or by combustion routes using nitrate precursors. This thesis aims to highlight the disadvantages of these traditional methods of anode preparation and to, instead, offer a novel, efficient and low cost nitrate free combustion route to prepare Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anodes for PCFCs. A wide range of techniques mainly X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), environmental scanning electron microscopy, (ESEM) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were employed in the cermet anode study. The work also offers a fundamental examination of the effect of porosity, redox cycling behaviour, involvement of proton conducting oxide phase in PCFC cermet anodes and finally progresses to study the electrochemical performance of a state of the art anode supported PCFC. The polarisation behaviour of anodes has been assessed as a function of temperature (T), water vapour (pH2O), hydrogen partial pressures (pH2) and phase purity for electrodes of comparable microstructure. The impedance spectra generally show two arcs at high frequency R2 and low frequency R3 at 600 °C, which correspond to the electrode polarisation resistance. Work shows that the R2 and R3 terms correspond to proton transport and dissociative H2 adsorption on electrode surface, respectively. The polarization resistance of the cermet anode (Rp) was shown to be significantly affected by porosity, with the PCFC cermet anode with the lowest porosity exhibiting the lowest Rp under standard operating conditions. This result highlights that porogens are not required for peak performance in PCFC anodes, a result contrary to that of their oxide-ion conducting anode counterparts. In-situ redox cycling studies demonstrate that polarisation behaviour was drastically impaired by redox cycling. In-situ measurements using an environmental scanning electron microscopy (ESEM) reveal that degradation proceeds due to volume expansion of the Ni-phase during the re-oxidation stage of redox cycling.The anode supported thin BCZY44 based protonic ceramic fuel cell, formed using a peak performing Ni-BaZr0.85Y0.15O3-δ cermet anode with no porogen, shows promising results in fuel cell testing conditions at intermediate temperatures with good durability and an overall performance that exceeds current literature data.

Bauxite residue (Red mud) as a pulverised fuel ash substitute in the manufacture of lightweight aggregate

This study looked at the potential of bauxite residue or red mud to be used in the manufacture of lightweight aggregate in replacement of pulverised fuel ash (PFA), commonly used as a way of recycling problematic wastes. The percentage replacements of red mud with PFA were as follows: 25, 31, 38, 44 and 50%. These were blended in a mix with waste excavated clay and sewage sludge – all from the Chongqing municipality in China. Lightweight pellets were produced using a Trefoil rotary kiln and were sintered to 1200 °C. Results showed that 44 % bauxite residue replacement produced lightweight pellets with the highest compressive strength, highest density and largest water holding capacity. This would be expected in materials with a low level of silicates, which causes insufficient glass phase viscosity and therefore poor bloating during firing; producing an aggregate with a higher density but with open pores that allowed for larger water absorption. All ratios of red mud aggregates were significantly reduced in pH after firing to around pH 8, and this reduced the leachability of the aggregates to levels below those set by the European landfill directive (2003/33/EC).

Higher order model for analysis of magneto-electro-elastic plates

In this paper is presented an higher-order model for static and free vibration analyses of magneto-electro-elastic plates, wich allows the analysis of thin and thick plates, which allows the analysis of thin and thick plates. The finite element model is a single layer triangular plate/shell element with 24 degrees of fredom for the generalized mechanical displacements. Two degrees on freedom are introduced per each element layer, one corresponding to the electrical potential and the other for magnetic potential. Solutions are obtained for different laminations of the magneto-electro-elastic plate, as well as for the purely elastic plate as a special case.

Logistics management and costs of biomass fuel supply

Discusses part of a project conducted by the authors into the logistics planning and management and costs of supplying biomass fuels to biomass-fired power stations in the UK. Defines biomass fuels and the reasons for the growth in interest in their use for electricity generation. The activities and parties involved in the biomass fuel supply chain are discussed together with the management of the chain in order to achieve smooth and consistent flow of biomass fuel to power stations. Explains the approach used to modelling the delivered costs of biomass fuels for four types of biomass fuel included in the project: forest fuel, short rotation coppice, straw and miscanthus. Comments are given on the environmental impacts of the fuel supply chains. The results indicate that straw supply systems are capable of producing the lowest delivered costs of the four fuels studied. Short rotation coppice and miscanthus, two new energy crops, are likely to have the highest delivered costs at present. This is due to the cost of growing these fuels and the financial incentives required by farmers to persuade them to grow these crops. Logistics costs (i.e. transport, storage and handling) are shown to represent a significant proportion of total delivered cost in biomass supply. Careful supply chain planning and logistics management will be of central importance to the success of the biomass industry.

Enhanced bio-decolourisation of acid orange 7 by Shewanella oneidensis through co-metabolism in a microbial fuel cell

The decolourisation of acid orange 7 (AO7) (C.I.15510) through co-metabolism in a microbial fuel cell by Shewanella oneidensis strain 14063 was investigated with respect to the kinetics of decolourisation, extent of degradation and toxicity of biotransformation products. Rapid decolourisation of AO7 (>98% within 30 h) was achieved at all tested dye concentrations with concomitant power production. The aromatic amine degradation products were recalcitrant under tested conditions. The first-order kinetic constant of decolourisation (k) decreased from 0.709 ± 0.05 h−1 to 0.05 ± 0.01 h−1 (co-substrate – pyruvate) when the dye concentration was raised from 35 mg l−1 to 350 mg l−1. The use of unrefined co-substrates such as rapeseed cake, corn-steep liquor and molasses also indicated comparable or better AO7 decolourisation kinetic constant values. The fully decolourised solutions indicated increased toxicity as the initial AO7 concentration was increased. This work highlights the possibility of using microbial fuel cells to achieve high kinetic rates of AO7 decolourisation through co-metabolism with concomitant electricity production and could potentially be utilised as the initial step of a two stage anaerobic/aerobic process for azo dye biotreatment.

Contribution of direct electron transfer mechanisms to overall electron transfer in microbial fuel cells utilising Shewanella oneidensis as biocatalyst

Objectives To investigate the contribution of direct electron transfer mechanisms to electricity production in microbial fuel cells by physically retaining Shewanella oneidensis cells close to or away from the anode electrode. Results A maximum power output of 114 ± 6 mWm−2 was obtained when cells were retained close to the anode using a dialysis membrane. This was 3.5 times more than when the cells were separated away from the anode. Without the membrane the maximum power output was 129 ± 6 mWm−2. The direct mechanisms of electron transfer contributed significantly to overall electron transfer from S. oneidensis to electrodes, a result that was corroborated by another experiment where S. oneidensis cells were entrapped in alginate gels. Conclusion S. oneidensis transfers electrons primarily by direct electron transfer as opposed to mediated electron transfer.

Emission of airborne ultrafine particles during welding of steel plates

The present study is focused on the characterization of ultrafine particles emitted in welding of steel using mixtures of Ar+CO2, and intends to analyze which are the main process parameters which may have influence on the emission itself. It was found that the amount of emitted ultrafine particles (measured by particle number and alveolar deposited surface area) are clearly dependent from the distance to the welding front and also from the main welding parameters, namely the current intensity and heat input in the welding process. The emission of airborne ultrafine particles seem to increase with the current intensity as fume formation rate does. When comparing the tested gas mixtures, higher emissions are observed for more oxidant mixtures, that is, mixtures with higher CO2 content, which result in higher arc stability. The later mixtures originate higher concentrations of ultrafine particles (as measured by number of particles by cm3 of air) and higher values of alveolar deposited surface area of particles, thus resulting in a more hazardous condition regarding worker's exposure. © 2014 Sociedade Portuguesa de Materiais (SPM). Published by Elsevier España, S.L. All rights reserved.