Valutazione dell’efficienza termica e del potenziale di riduzione delle emissioni di alcol

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13301 (2023) Citare questo articolo

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Finora, carbone, petrolio e gas naturale sono ancora i combustibili più utilizzati e le emissioni di SO2, NOX e particolato prodotte dalla loro combustione hanno una grave influenza sull’aria. Pertanto, è necessario sviluppare un carburante pulito. In questo studio, i capannoni per la stagionatura erano dotati di diverse apparecchiature per il combustibile, il fienile A utilizzava apparecchiature tradizionali per il riscaldamento a carbone; Il fienile B utilizzava apparecchiature di riscaldamento integrate con combustibile a biomassa (BBF); Fienile C dotato di apparecchiature di riscaldamento con carburante a base di alcol (ABF). Sono stati analizzati la temperatura della superficie esterna dell'apparecchio di riscaldamento, i gas di scarico del camino, l'efficienza termica della stagionatura e il consumo energetico. Rispetto al fienile BBF e al fienile a carbone, il fienile ABF può soddisfare i requisiti di temperatura più alta di polimerizzazione del tabacco flue-cured di 68 °C, l'accuratezza della curva della temperatura target del bulbo secco (DBT) durante la polimerizzazione del tabacco flue-cured era 93,4 %. Allo stesso tempo, durante la combustione ABF, le emissioni di CO2 e CO sono state rispettivamente del 40,82% e 0,19%. Tuttavia, nello scarico del camino non sono state rilevate emissioni di NOX, SO2 e H2S. Rispetto al BBF e al carbone della stalla, l'efficienza termica delle apparecchiature di riscaldamento ABF nella stalla è stata aumentata rispettivamente del 44,78% e dell'86,28%. Inoltre, il costo per chilogrammo di tabacco secco è stato ridotto rispettivamente del 19,44% e del 45,28%. Pertanto, rispetto al carbone della stalla e alla stalla BBF, l'ABF della stalla può controllare i cambiamenti di temperatura in modo più accurato e mostra un evidente vantaggio nella protezione dell'ambiente e nell'efficienza di utilizzo del calore.

Il tabacco flue cured (FT) è uno dei tipi di tabacco più coltivati ​​in Cina. Nel processo di produzione di FT, la stagionatura del tabacco (TC) è ancora l'anello che consuma più energia, rappresentando oltre l'80% dell'energia utilizzata nel processo di produzione di TC1,2,3. Allo stesso tempo, il carbone è ancora il combustibile preferito per la stagionatura nella maggior parte delle aree di produzione FT, e oltre il 95% degli allevamenti per la stagionatura sfusa utilizza carbone per TC. Il consumo annuale di carbone è elevato, con la stagionatura di 1 kg di tabacco secco si consumano 1,5–2,0 kg di carbone. In Cina, ogni anno sono necessari circa 3-4 milioni di tonnellate di carbone per TC4,5. Tuttavia, le emissioni, tra cui CO2, SO2, NOX e particolato, vengono ampiamente rilasciate durante la combustione del carbone, causando un grave inquinamento dell'ambiente6,7. Circa 4–5 t di fumo e polvere, 160–220 t di CO2, 3,4–5,6 t di SO2 e 1,6–2,8 t di NOX verranno emessi in un gruppo di 20 stalle di stagionatura su larga scala durante la stagione TC8. Il TC annuale dura da luglio a settembre. Durante il periodo di stagionatura, intorno al granaio di stagionatura si formano grandi quantità di fumo e fuliggine, che hanno gravi effetti negativi sulla crescita e sulla qualità dei raccolti vicini e danneggiano la salute degli esseri umani e degli animali, con conseguenti rischi cronici, acuti pericoli e pericoli invisibili9. Tra questi, il fumo e la fuliggine con le caratteristiche di una lunga permanenza nell'atmosfera e di lunghe distanze di trasporto possono causare foschia10. Inoltre, il carbone è una risorsa non rinnovabile e ci sono molti problemi durante la combustione del carbone, come una combustione insufficiente, uno scarico ad alta temperatura dal camino e un lento aumento della temperatura che porta a un declino della qualità delle foglie FT. Pertanto, è di grande importanza introdurre un'energia pulita per il risparmio energetico, la protezione dell'ambiente e il TC.

Il carburante a base di alcol (ABF), un tipo di carburante liquido a base di alcoli (metanolo CH3OH, etanolo C2H5OH, butanolo C4H9OH), è derivato dalla fermentazione della biomassa e dai combustibili fossili, come carbone, petrolio e gas naturale. È riconosciuto come un nuovo tipo di combustibile rinnovabile da molti paesi11,12,13,14. A causa del progressivo esaurimento dell'energia petrolchimica, l'ABF rappresenta la nuova energia alternativa con il maggior potenziale. Nel processo di produzione agricola, le risorse di biomassa tra cui mais, paglia e barbabietola da zucchero sono abbondanti. Con lo sviluppo della sintesi della tecnologia ABF utilizzando biomassa non cerealicola come materia prima (compresa la fermentazione o gassificazione con un trattamento successivo del gas di sintesi), lo sviluppo della biomassa ABF è stato significativamente migliorato15,16,17,18. Pertanto, si prevede che l'ABF, con i vantaggi di un elevato potere calorifico di combustione, un prezzo basso, pulito ed ecologico, un'ampia gamma di applicazioni, sicurezza e affidabilità, diventi un nuovo tipo di energia in sostituzione dei combustibili fossili19. Poiché l'ABF ha un effetto di auto-fornitura di ossigeno durante il processo di combustione, rispetto al carbone, al catrame di carbone, all'olio pesante, al diesel, alla benzina e ad altri combustibili, l'ABF è il combustibile bruciato più a fondo. Le emissioni di combustione dell'ABF sono principalmente H2O e CO2 e le emissioni di gas di scarico sono inferiori di oltre l'80% rispetto a quelle del gas di petrolio liquefatto. È il carburante più pulito, più ecologico e più promettente per il futuro. Attualmente, l’ABF è ampiamente utilizzato nei carburanti per motori, nella produzione di energia industriale e nel riscaldamento20,21. In particolare, i combustibili a base alcolica possono essere miscelati con diesel e biodiesel per ottenere eccellenti carburanti misti per l'industria e i trasporti, tra cui il butanolo può migliorare significativamente lo stato di combustione del carburante misto formato con diesel e ha buoni effetti nel migliorare la capacità di controllo della temperatura e ridurre le emissioni di CO e NOx22. Kilic et al.23 hanno dimostrato che quando un basso contenuto di butanolo (fino al 30%) viene formato nel combustibile insieme al diesel nelle caldaie a tubi di fiamma, l'efficienza della combustione può essere migliorata, il che ha una prospettiva positiva per ridurre le emissioni e migliorare l'efficienza della combustione.