Șef lucr. Dr. Ing. Dragomir Daniel Molnar -Roth Mădălin Vasile [620677]

UNIVERSITATEA DE MEDICINĂ, FARMACIE, ȘTIINȚE ȘI TEHNOLOGIE “GEORGE EMIL
PALADE” DIN TÂRGU -MUREȘ
FACULTATEA DE INGINERIE ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI
SPECIALIZAREA: INGINERIA SISTEMELOR ELECTROENERGETICE

LUCRARE DE DIPLOMĂ

Îndrumător științific: Absolvent: [anonimizat]
2020

UNIVERSITATEA DE MEDICINĂ, FARMACIE, ȘTIINȚE ȘI TEHNOLOGIE “GEORGE EMIL
PALADE” DIN TÂRGU -MUREȘ
FACULTATEA DE INGINERIE ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI
SPECIALIZAREA: INGINERIA SISTEMELOR ELECTROENERGETICE

LUCRARE DE DIPLOMĂ

SISTEM DE PRODUCERE A ENERGIEI BAZAT PE
GAZEIFICAREA LEMNULUI

Îndrumător științific: Absolvent: [anonimizat]
2020

UNIVERSITATEA DE MEDICINĂ, FARMACIE, ȘTIINȚE ȘI TEHNOLOGIE "GEORGE EMIL
PALADE" DIN TÂRGU -MUREȘ
FACULTATEA DE INGINERIE ȘI TEHNOLOGIA INFORMAȚIEI
Specializarea: INGINERIA SISTEMELOR ELECTROENERGETICE

SISTEM DE PRODUCERE A ENERGIEI BAZAT PE GAZEIFICAREA LEMNULUI

Coordonator științific: Candidat: [anonimizat]: 2020
Tema lucrării de diplomă:

SISTEM DE PRODUCERE A ENERGIEI BAZAT PE GAZEIFICAREA LEMNULUI

Problemele principale care vor fi tratate:
– Biomasa ca sursă de energie, procedee de conversie termică a biomasei .
– Procesul de gazeificare a biomasei și tipuri constructive de gazeificatoare.
– Utilizarea gazeificatoarelor pentru alimentarea cu gaz combusti bil a motoarelor cu ardere
internă.
– Dimensionarea unui sistem de cogenerare cu motor cu piston alimentat cu gaz obținut prin
gazeificarea lemnului.

Bibliografie recomandată:
– Thomas B. Reed and Amitabha Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engin e
Systems, Biomass Energy Foundation, 1988.
– FAO Forestry Department, Wood gas as engine fuel , FAO, 1986.
– Edmond Maican, Sisteme de energii regenerabile , Ed.Printech, Bucure ṣti, 2015.
– Darbi Roslee, Sulastri Sabudin, Nadhirah Aqilah Noor Ariffin, Fathin Nadh irah Jamari, Mohd
Faizal Mohideen Batchaless, Design and Development of Downdraft Gasifier to Generate
Producer Gas , International Journal of Integrated Engineering, 2018.

Termene obligatorii de consultații: 10 Mai – 30 Iunie 2020
Locul practicii: Online, Laborator Termotehnică
Primit la data de: Mai 2019
Termen de predare: 15 Iulie 2020
Semnătura director departament Semnătura conducătorului

Semnătura candidat: [anonimizat] 1 –

Cuprins
Cuprins ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… – 1 –
Abstract ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. – 3 –
Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… – 4 –
Capitolul 1. Gazeificarea ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. – 6 –
1.1 Scurt istoric ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… – 6 –
1.2 Materii prime ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… – 7 –
1.2.1 Cărbunele ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. – 7 –
1.2.2 Biomasa ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. – 9 –
1.3 Procesele de conversie termică a biomasei ………………………….. ………………………… – 11 –
1.3.1 Piroliza ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. – 11 –
1.3.2 Gazeificarea ………………………….. ………………………….. ……………………….. – 13 –
1.3.3 Combustia biomasei ………………………….. ………………………….. ……………. – 17 –
1.4 Termodinamica gazeificării ………………………….. ………………………….. …………………… – 17 –
1.5 Gazeificatorul și elementele componente ale acestuia ………………………….. ………… – 18 –
1.5.1 Gazeificatorul – Generalități ………………………….. ………………………….. … – 18 –
1.5.2 Elementele componente ale unui sistem de gazeificare …………………… – 19 –
1.5.3 Elemente de filtrare – Filtre ………………………….. ………………………….. …. – 23 –
1.5.4 Echipamente auxiliare ………………………….. ………………………….. …………. – 27 –
1.5.5 Eliminarea depunerilor înmagazinate ………………………….. ………………… – 28 –
1.6 Tipuri de gazeificatoare ………………………….. ………………………….. ……………………….. – 29 –
1.6.1 Gazeificatorul în curent ascendent ………………………….. ……………………. – 29 –
1.6.2 Gazeificatorul în curent descendent ………………………….. ………………….. – 30 –
1.6.3 Gazeificatorul în curent transversal ………………………….. …………………… – 31 –
1.6.4 Gazeificatorul cu substrat fluidizat ………………………….. …………………….. – 32 –
1.6.5 Alte tipuri de gazeificatoare ………………………….. ………………………….. …. – 33 –
Capitolul 2. Energia Electrică ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. – 35 –
2.1 Electricitatea ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. – 35 –
2.2 Energia Electrică ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. – 36 –
2.3 Ponderea energiei electrice la nivel global ………………………….. …………………………. – 37 –
2.4 Ponderea energiei electrice în România ………………………….. ………………………….. … – 38 –

– 2 –

Capitolul 3. Gazeificatoare mici pentru lemn și cărbune folosite la motoarele cu ardere internă ………. – 39 –
3.1 Alimentarea motoarelor cu gazul produs ………………………….. ………………………….. . – 39 –
3.2 Posibilitatea de a folosi diferite tipuri de gaz în motoare ………………………….. ……… – 39 –
3.3 Puterea motorului care funcționează pe gaz ………………………….. ………………………. – 40 –
3.4 Maximizarea puterii de ieșire în exploatarea motorului cu gaz ………………………….. – 41 –
3.5 Puterea rezultată ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. – 42 –
3.6 Cerințe privind calitatea gazelor pentru funcționarea motoarelor ……………………… – 43 –
Capitolul 4. Sistem de cogenerare cu gazeificator pe bază de lemn ………………………….. ………………… – 44 –
4.1 Sistemul de cogenerare ………………………….. ………………………….. ……………………….. – 44 –
4.2 Calcule de proiectare ………………………….. ………………………….. ………………………….. . – 45 –
4.2.1 Puterea motorului ………………………….. ………………………….. ………………. – 45 –
4.2.2 Pierderile de putere în urma conversiei la combustibil gazos ……………. – 45 –
4.2.3 Puterea mecanică necesară generatorului și consumul de combustibil . – 46 –
4.2.4 Proiectarea gazeificatorului în curent descendent ………………………….. . – 47 –
4.2.5 Elemente de filtrare a gazului ………………………….. ………………………….. . – 49 –
4.2.6 Proiectarea schimbătorului de căldură ………………………….. ………………. – 49 –
4.2.7 Exemple de sisteme de gazeificare ………………………….. ……………………. – 53 –
Capitolul 5. Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………. – 56 –
Capitolul 6. Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………… – 57 –
6.1 Cărți ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… – 57 –
6.2 Surse electronice ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……. – 58 –

– 3 –

Abstract

This work aims , among other things, to understand the gasification process, the raw materials
and the reactions that condition this process as well as the design of a gasifier for electricity and heat
production, representing an alternative to what conventional sources mean today.
The first chapter, presents a short history of the evolution of this process over time, the raw
materials, and the underlying reactions. At the end, the filtration and separation elements, the types of
gasifier are explained, their advantages and disadvantages.
Chapter two presents details about the current production of electricity in Europe as well as in
Romania.
Chapter three describes the parameters at which internal combustion engines operate, their
compression ratio as well as the power losses they suffer when converting them for gas supply.
Chapter four is the chapter on design ing and calculat ing of the gasifier as well as the heat
exchanger . For gasifier, calculations were made regarding the gas requirement, the raw material
requirement (biomass), the resulting power, the electrical and thermal energy that can be produced.
As for the heat exchanger, it was necessary to fin d out its surface, the number of pipes and the heat
released by the engine coolant.
In Chapter five, the conclusion followed by the related bibliography are presented.

– 4 –

Introducere

Poluarea aerului nu este o problemă care se manifestă doar la nivel local, este o problem ă a
întregi emisfere. Poluanții atmosferici emiși într -o tară pot fi transportați în atmosferă, lucru care
contribuie la o calitate scăzută a aerului în alte zone, deci, prin urmare afectează calitatea vieții și a
întregii omenir i.
În ciuda unei îmbunătățiri generale a calității aerului, poluarea cu particule fine de la nivelul
solului continuă să cauzeze anual un număr mare de decese premature la nivel European și să reducă
speranța de viață. Toate acestea generează costuri imens e în domeniul sănătății.
Printre sursele de poluare care generează aceste neplăceri se numără și arderea combustibililor
fosili, cum ar fi cărbunele sau petrolul, cu scopul de a produce energie electrică, pentru a ne deplasa
dintr -un loc în altul, pentru industrie sau pur și simplu pentru viața de zi cu zi . Datorită faptului că,
combustibili fosili reprezintă în continuare o resursă importantă de energie, dioxidul de carbon care
este emis în atmosferă este pe măsură , reprezentând un factor important care p oate determina
încălzirea globală și schimbările climatice.
Pentru a reduce aceste emisii și pentru a respira un aer cât mai curat, cu toții avem obligația
de a contribui la protejarea mediului înconjurător și de a asigura, pentru noi și pentru generațiil e
următoare , o bună calitate a vieții.
În acest context, se urmărește ca la nivel European, pe cât posibil, să se utilizeze energia
“Verde”. În această categorie se încadrează Energia Solară, Eoliană, Geotermală dar și Biomasa.
Aceasta din urmă reprezintă o alternativă a combustibililor fosili fiind avantajată de faptul că, în urma
procesului de conversie din materia primă (lemn, resturi vegetale) în gaz de sinteză, emite monoxid
de carbon, care nu este nociv precum dioxidul de carbon.
Lucrarea își propun e, printre altele, înțelegerea procesului de gazeificare, materiile prime și
reacțiile care condiționează acest proces precum și proiectarea unui gazeificator în vederea producerii
energiei electrice și termice , reprezentând o alternativă pentru ceea ce în seamnă azi sursele
convenționale .

– 5 –

În primul Capitol al lucrări este prezentat un scurt istoric despre evoluția acestui proces în
timp, materiile prime, precum și reacțiile care stau la baza lui. La finalul , sunt explicate elementele de
filtrare, tipurile de gazeificatoare, avantajele și dezavantajele acestora.
În Capitolul doi sunt prezentate detalii despre producerea actuala de energie electrică în Europa
precum și în România.
Capitolul trei descrie parametrii la care motoarele cu ardere internă funcționează, raportul de
compresie al acestora precum și pierderile de putere pe care le suferă la conversia lor în vederea
aliment ării cu gaz.
Capitolul patru reprezintă capitolul de proiectare și calculare a parametrilor gazeificatorului
precum și a schimbătorului de căldură . Pentru gazeificator s -au realizat calcule privind n ecesarul de
gaz, necesarul de materie primă (biomasă), puterea rezultată, energia electrică și termică care se poate
produce . În ceea ce privește schimbătorul de căldură, a fost nevoie de aflarea suprafeței acestuia,
numărul de țevi și căldura degajată de lichidul de răcire al motorului.
În Capitolul cinci , sunt prezentate concluziile urmate de bibliografia aferentă.

– 6 –

Capitolul 1 . Gazeificarea

1.1 Scurt istoric

Deși gazul folosit drept combustibil este cunoscut încă din anul 1785, motoarele care folosesc
această sursă de energie au evoluat abia în jurul anului 1920. În ani ce au urmat, doar câteva dintre
modelele proiecta te au intrat în producție comercială; cel mai de succes, utilizat pe scară largă fiind
proiectat de Imbert.
Lipsa de combustibili petrolieri în Europa pe timpul celui de -al doilea război mondial a creat
o nouă cerere în cea ce privește generatoarele de gaz în mai multe țări; de exemplu, Suedia a convertit
40% din întreaga sa flotă de vehicule cu motoare convenționale în motoare care folosesc drept
combusti bil gazul. O caracteristică esențială a tuturor acestor generatoare a fost aceea că au fost
dezvoltate pentru motoare cu puteri cuprinse între 20 și 200 CP1 fiind utilizate pentru automobile și
vehicule de transport.

Fig. 1.1 Mașină cu generator de gaz
Surs ă: https://krisdedecker.typepad.com/.a/6a00e0099229e888330120a7d23039970b -pi

1 CP – Cal Putere

– 7 –

Problema utilizării surselor regenerabile de energie pentru generarea energiei motric e în
ultimii ani și -a asumat amploarea semnificativ în întreaga lume și este un subiect de actualitate până
și în zilele noastre .
O caracteristică a sistemului energetic în multe țări în curs de dezvoltare (în special în mediul
rural) este că motoarele cu ardere internă sunt utilizate pe scară largă în aplicații staționare, cum ar fi
producerea de energie electrică. Tehnologii precum gazeificarea, care să permit ă utilizarea de biomasă
drept combustibil în astfel de motoare după o preg ătire minimă sunt, prin urmare, de o importanță
deosebită.
1.2 Materii prime

1.2.1 Cărbunele

➢ cărbunele este turbă fosilizată. O turbă este o mlaștină cu vegetație luxuriantă. Materia vegetală
moare și cade în apă, unde are loc o descompunere parțială. Materia vegetală se acumulează pe fundul
mlaștinii, pe o perioada de mulți ani unde se formează un strat de turbă. Turba care a devenit cărbunele
de astăzi a fost depusă acum milioane de ani.

a) Compoziție

În tehnică, compoziția cărbunilor se exprimă parțial în elementele chimice, carbon (C),
hidrogen (H), azot (N), oxigen (O) și su lf (S), parțial în substanțe ca masa minerală și
umiditate.
Compoziția se poate exprima ca:
• Masă organică , care conține C, H, N, O și S din combinațiile organice;
• Masă combustibilă , conține și S din combinațiile minerale, care arde și
el;
• Masă anhidră , care conține și masa minerală, adică tot, mai puțin ap ă;
• Masa uscată la aer, care conține și umiditatea de cons tituție și cea
higro scopică, compoziție folosită în determinările de laborator, fiind
stabilă;

– 8 –

• Masa inițială , care conține și umiditatea de îmbibație, adică compoziția
cărbunelui introdus în focare.

b) Clasificarea cărbunilor

• Turbă – cel mai tânăr cărbune, formându -se și astăzi. Conține
între 52 % – 62% carbon în masa combustibilă, iar prin încălzire degajă
foarte multe materii volatile. Este extras cu o umiditate cuprinsă între 75 %
– 80%, ca urmare trebuie uscată, stare în care are o putere calorifică de 12
– 20 MJ/kg. Este folosită drept combustibil casnic.
• Cărbune brun – este un cărbune mai vechi, care conține între
60% – 78% carbon în masa combustibilă, iar prin încălzire degajă multe
materii volatile. Este extras cu o umiditate cuprin să între 30 % – 45% ,
având o putere calorifică cuprinsă între 6 – 18 MJ/kg. Este folosit în scopuri
energetice, fiind combustibil clasic în termocentralele pe bază de cărbune.
• Cărbunele brun huilos – este un cărbune specific României, cu
aspect de huilă. Are o putere calorifică sub 20 MJ/kg și este folosit în
scopuri energetice.
• Huila – este un cărbune vechi, care conține între 75 % – 92%
carbon în masa combustibilă, iar prin încălzire degaj ă suficiente materii
volatile pentru aprindere. Este extras cu o umiditate cuprin să între 1 % –
5% și are o putere calorifică cuprinsă între 20 – 29 MJ/kg. Acesta este cel
mai prețios cărbune.
• Antracitul – este cel mai vechi cărbune, care conține între 92 %
– 98% carbon în masa combustibilă, dar aproape deloc materii volatile,
ceea ce îl face greu de aprins. Acesta se aprinde la o temperatur ă de 800 ⁰C,
temperatur a de aprindere a carbonului. Este extras cu o umiditate cuprinsă
între 3 % – 12% și are o putere calorific ă de 20 – 25 MJ/kg. Este folosit în
industria chimică la producerea electrozilor.

– 9 –

Fig. 1.2 Cărbune
Sursă: https://i0.1616.ro/media/2/2621/33214/18354049/1/coal -471903 -1280.jpg?width=514

1.2.2 Biomasa

➢ reprezintă partea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și a reziduur ilor din agricultură,
inclusiv substanțele vegetale și animale, silvicultură și industriile conexe, precum și partea
biodegradabilă a deșeurilor industriale și urbane. După cărbune, petrol și ga zele naturale, biomasa
ocupă în lume locul al patrulea dintre resursele energetice cele mai importante. La nivelul mediei
mondiale energia de biomasă acoperă 14% din totalul de energie utilizat ă, în cazul țărilor în curs de
dezvoltare ajungând chiar și la 34%.

a) Surse de energie din biomasă

• Produsele secundare și deșeurile rezultate din producția
agricolă, cum ar fi paiele, coceni, etc.

– 10 –

• Plante cultivate pentru scop energetic , cum ar fi rapița, sfeclă de
zahăr sau diferite specii de copaci.
• Biomasă de proveniență animală
• Produse secundare provenite din silvicultură și prelucrarea
lemnelor, cum ar fi așchii de lemn, rumeguș sau scoarță.

b) Caracteristicile biomasei

• Regenerarea se bazează pe fotosinteză;
• Acumularea și conservarea energiei se produce datorită faptului
că, în procesul de fotosinteză energia solară se înmagazinează ca energie
chimic ă în substanțele organice dezvoltate în plante;
• Emisia de substanțe dăunătoare este substanțial mai redusă în
comparație cu sursele de energie fosile;
• Utilizarea acestei surse de energie se poate realiza în așa fel
încât , să nu ducă la creșterea cantit ății de bioxid de carbon din atmosferă;

Fig. 1.3 Surse de proveniență a biomasei
Sursă: http://www.lia -biomass.ro/images/altalanos_tudnivalok_ro.jpg

– 11 –

1.3 Procesele de conversie termică a biomasei

Procesele de conversie termică pentru biomasă implică unele sau chiar toate procesele următoare :
• Piroliza : Biomasa + Căldură Cărbune, Ulei, Gaz
• Gazeificare : Biomasă + Oxigen limitat Gaz combustibil
• Combustie : Biomasă + Oxigen stoichiometric Produse de ardere
la cald
Procesele termice au în mod obișnuit valori mari și pot funcționa în principiu pe orice formă
de biomasă.
1.3.1 Piroliza

➢ reprezintă descompunerea unui material prin căldura. Este primul pas în arderea sau
gazeificarea biomasei. În momentul în care biomasa este încălzită în absența a erului la aproximativ
350 ⁰C, formează cărbune (C), gaze (CO1, 𝐶𝑂 22, 𝐻23, 𝐻2𝑂4,𝐶𝐻 45) și vapori de gudron. Vaporii de
gudron sunt gaze la temperatura pirolizei, însă se condensează pentru a forma un fum compus din
picături fine de gudron, pe măsură ce acestea se răcesc.
În timpul pirolizei, moleculele sunt supuse la temperaturi foarte ridi cate, ceea ce duce la vibrații
moleculare foarte mari, moleculele sunt întinse și agitate într -o asemenea măsura încât încep să se
descompună în molecule mai mici. De asemenea, piroliza este întotdeauna primul pas spre alte
procese, cum ar fi gazeificarea și arderea, unde are loc o oxidare parțială sau totală a materialului
tratat.
Cuvântul “piroliză” provine din două cuvinte antice grecești, și anume: “ Pyro ”, care înseam nă foc
și “liză” care înseam nă separare, prin urmare piroliza înseamnă separare prin foc sau căldură.

1 𝐶𝑂−Monoxid de carbon
2 𝐶𝑂 2−Dioxid de carbon
3 𝐻2−Hidrogen
4 𝐻2𝑂− Apă
5 𝐶𝐻 4− Metan

– 12 –

Procesele implicate în piroliză, gazeificarea și combustia pot fi observate în figura de mai jos :

Fig. 1.4 Piroliza, gazeificarea și combustia unui chibrit
Sursă : Thomas B. Reed and Agua Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems , Biomass Energy Foundation, 1988

Flacăra furnizează căldură pentru piroliză iar gazele și vaporii rezultați ard în flacăra luminoasă
într-un proces numit combustie în flăcări. După ce flacăra trece o anumită perioadă, cărbunele poate
sau nu să ardă (undele chibrituri sunt tratate chimic pentru a împiedica cărbunele să ardă). Când
chibritul este stins, lemnul rămas continuă să fie supus pirolizei reziduale, generând un fum vizibil
care este compus din picăturile de gudron condensate.
O imagine mai clară a pirolizei este obținută prin analiza termogravimetrică . Cu ajutorul
acestei tehnici, o bucată mică de biomasă este suspendată pe o tigaie de balans într -un cuptor și
temperatura este crescută constant, la o viteză cunoscută. Un exemplu de modificare a greutății
reziduale încălzită cu o viteză de 40 ⁰C / min este prezentat în Fig. 1.5. Se observă că umiditatea este
eliberată în primă parte, la o temperatură de aproximativ 100 ⁰C, urmată de materialele volatile la 250 –
450 ⁰C. La sfârșitul experimentului rămâne o fracțiune de cărbune și cenușă. Dacă aerul este lăsat să
pătrundă în sistem după piroliză, carbonul va arde, lăsând cenușa ca și produs final.

– 13 –

Fiecare formă de biomasă produce cantități puțin diferite de cărbune, material volatil și cenușă.
Cunoașterea acestor cantități precum și dependența acestora de temperatură sunt utile în înțelegerea
funcționării și proiectării gazeific atorului .

Fig. 1.5 Analiza termogravimetrică a unui eșantion tipic de biomasă încălzit în lipsa aerului
Sursă: Thomas B. Reed and Agua Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems , Biomass Energy Foundation, 1988

1.3.2 Gazeificarea

➢ reprezintă procesul de transformare a materialelor care conțin carbon, cum sunt cărbunele,
petrolul, biomasa și deșeurile, în gaze combustibile (monoxid de carbon și hidrogen) care conțin, în
mod ideal, toată energia înmagazinată în materia primă. Acest procedeu are loc prin intermediul
procesului de descompunere termică a materialelor organice într -o atmosfera săr acă în oxigen, pentru
a împiedica arderea completă.
Ca agenți de gazeificare se utilizează: oxigenul, aerul, vaporii de apă, dioxidul de carbon,
hidrogenul.
Gazeificarea se poate face :
– exoterm – prin oxidare parțială, prin urmare este folosit ca și agent de
gazeificare oxigenul
– prin hidrogazeificare , folosindu -se ca și agent de oxidare
hidrogenul

– 14 –

– endoterm – prin reacție cu vapori de apă sau 𝐶𝑂 2
Gazeificarea biomasei constă în mai multe etape:
• Uscarea – se elimină vapori de apă din lemn ce conțin printre altele si
rășini naturale
• Piroliz a – are loc între 270 ⁰ și 500 ⁰C, în absența aerului. Căldura este
provenită din procesul de combustie și încep să apară modificări
structurale la nivel molecular, apărâ nd astfel cărbunele de lemn și
gudronul
• Combustia – are loc cu o cantitate controlată de oxigen, ridicând
temperatura în jurul valorii de 1400 ⁰C. O parte din cărbune este oxidat
formând 𝐶𝑂 2 și 𝐻2𝑂.
• Reducerea – acest amestec de dioxid de carbon și apă e ste încărcat cu o
cantitate importantă de căldură care odată ajuns în zona de reducere,
întâlnește o masă de cărbune încins la o temperatură cuprinsă între
1200 ⁰ – 1400 ⁰C.
Reacți ile chimice specifice fiecărei zone sunt :
Zona de combustie:
C + O 2 = CO 2 (+ 393 MJ/kg Mol) (1.1)

2H 2 + O 2 = 2H 2 O (- 242 MJ/kg Mol ) (1.2)

Zona de reducere:
C + CO 2 = 2CO (- 164.9 MJ/kg Mole)
C + H 2O = CO + H 2 (- 122.6 MJ/kg Mole)
CO + H 2O = CO + H 2 (+ 42 MJ/kg Mole)
C + 2H 2 = CH 4 (+ 75 MJ/kg Mole)
CO2 + H 2 = CO + H 2O (- 42.3 MJ/kg Mole)
CnHx = nC + x/2 H2
CnHx + mH 2O = nCO + (m + x)/2 H 2 (reformarea gudronului) (1.3)
(1.4)
(1.5)
(1.6)
(1.7)
(1.8)
(1.9)

– 15 –

a) Gazeificarea indirectă sau pirolitică

Vaporii de ulei din lemn sunt instabili la temperaturi de peste 600 ⁰C și se fisurează foarte
repede la temperatura cuprinsă între 700 – 800 ⁰C pentru a forma hidrocarburi cum ar fi : metanul,
etanul și etilena. Acest tip de gazeificare se realizează atunci când o parte din combustibil sau cărbune
este ars într -un vas extern, căldura rezultată fiind utilizată pentru a furniza energia necesară pentru a
piroliza biomasa.
Avantajul principal al acestui proces de gazeificare îl reprezintă producerea unui gaz cu
energie medie care este produs fără a utiliza oxigen.
Dezavantajul este că poate fi produsă o fracțiune semnificativă de gudron și este necesar un
transfer indirect de căldură sau masă, lucru care complică gazeificatorul și procesul. Acest tip de
gazeifica re este practicată doar în instalații mari și nu este la fel de bine dezvoltată precum gazeificarea
directă cu oxigen sau aer.
b) Gazeificarea directă

Piroliza și gazeificarea sunt procese endotermice, așadar trebuie să se furnizeze căldură pentru
ca procesele să se producă. Căldura necesară pentru a realiza piroliza și pentru a ridica materia primă
la 600 ⁰C este de aproximativ 1.6 – 2.2 kJ/g, reprezent ând 6% pâ nă la 10% din căldura de ardere a
biomase uscate. Această căldură este furnizată direct prin arderea parțială a elementelor volatile din
gazeificatoare.
Această combustie diluează apoi gazul rezultat cu 𝐶𝑂 2 (dioxid de carbon) și 𝐻2𝑂 (apă) dacă
arderea se realizează cu ajutorul oxigenului. Dacă arderea se realizează cu ajutorul aerului, gazul este
diluat de asemenea cu aproximativ 50% azot din aer.
Avantajul principal al acestui tip de gazeificare este repr ezentat de procesul foarte simplu cu
o singură etapă, transferul direct de căldură de la gaze la biomasă este foarte eficient, iar porcesul se
autoreglează în mare măsură. Acest gaz mai poartă denumirea și d e gaz de sinteză deoarece poate fi
utilizat ca ș i materie primă pentru sinteza chimică a metanolului, amoniacului, metanului și a benzinei.

– 16 –

c) Gazul de sinteză

➢ syngas , sau gaz de sinteză, este un amestec de gaz combustibil constând în principal din
hidrogen, monoxid de carbon și, de cele mai multe ori, dioxid de carbon.
Denumirea acestuia vine de la utilizarea sa ca intermediar în crearea gazelor naturale sintetice,
denumite SNG și pentru producerea amoniacului sau a metanolului. Acesta poate fi produs din mai
multe surse, inclusiv gaze naturale, cărbune , biomasă sau orice materie primă de hidrocarburi, prin
reacție cu aburul, dioxidul de carbon sau oxigenul. De asemenea, poate fi utilizat ca și intermediar în
producerea petrolului sintetic pentru utilizarea ca și combustibil sau lubrifiant.
Metodele de p roducție includ reformarea cu ajutorul aburului al gazelor naturale sau al
hidrocarburilor lichide pentru producerea hidrogenului, gazeificarea cărbunelui sau a biomasei în
anumite tipuri de instalații de gazeificare pentru producerea energiei.
Gazul de si nteză produs cu ajutorul procesului de gazeificare, în general este compus dintr -un
amestec de 30 % – 60% monoxid de carbon, 25 % – 30% hidrogen, 5 % – 15% dioxid de carbon și 0 % –
5% metan. De asemenea, poate conține o cantitate relativ mică de alte gaze. Reacția principală care
stă la baza acestui gaz de sinteză este o reacție endotermă.
Un mod foarte simplu de reprezentare a gazeificării este prezentat în figura de mai jos:

Fig. 1.6 Gazeificarea și tehnologiile conexe
Sursă: David A. Bell & Brian F. Towler Maohong Fan Coal gasification and its applications, 2011

– 17 –

1.3.3 Combustia biomasei

➢ reprezintă un procedeu mai complex decât piroliza sau gazeificarea, deoarece biomasa trebuie
mai întâi pirolizată , apoi este parțial a rsă (gazeificată) înainte de a fi complet combustibilă.
Reacția globală a combustiei biomasei este reprezentată în felul următor :
𝐶𝐻 1.4𝑂0.6+1.05 𝑂2+(3.95 𝑁2)→ 𝐶𝑂 2+0.7𝐻2𝑂+(3.95 𝑁2) (1.10)

Combustia produce 20,9 kJ/g atunci când temperatura produselor de ardere este suficient de
scăzută pentru ca tot lichidul să fie apă iar aceast ă valoare care ar putea fi măsurată cu ajutorul unui
calorimetru este raportată la căldura ridicată a combustiei (HHV). În majoritatea dispozitivelor de
ardere, apa scapă în atmosferă sub forma de gaz, iar căldura de vaporizare a apei nu mai este
recuperată. În acest caz, valoarea scăzută a încălzirii (LHV), 20,4 kJ/g ar fi căldura maximă care ar
putea fi generată. Diferența dintre cele d oua este mică pentru lemnul uscat dar crește proporțional cu
conținutul de umiditate al lemnului.
Proprietățile termice ale biomasei sunt prezentate în tabelul următor:

Tabelul 1. 1 Proprietățile termice ale biomasei

1.4 Termodinamica gazeificării

➢ reprezintă evidența energiei. Deși termodinamica nu poate prezice întotdeauna ce se va
întâmpla cu un anumit proces, poate exclude multe lucruri care nu pot avea loc .
La temperatura ridicată la care are loc gazeificarea (700 – 1000 ⁰C) există doar câteva combinații
stabile, cum ar fi : hidrogenul și oxigenul.
Concentrația relativă a acestor elemente care va fi atinsă la echilibru, poate fi prezisă de la
presiune, cantitatea fiecărui element și constanta de echilibru determinată din proprietățil e

– 18 –

termodinamice și temperatură, sub rezerva unui echilibru energetic. Există posibilitatea ca apoi să se
determine elementele care s -ar forma la echilibru în funcție de cantitatea de oxigen adăugată în sistem.
În acest mod este determinată temperatura de r eacție adiabatică a biomasei cu aerul sau oxigenul.
Această este temperatura care ar fi atinsă dacă biomasa ar ajunge la echilibru cu cantitatea specificată
de aer sau oxigen. Oxigenul utilizat într -un proces determină temperatura reacției. O utilizare foa rte
scăzută sau aproape de zero a oxigenului reprezintă un indicativ al pirolizei.
Daca este introdusă o cantitate mai redusă de oxigen, o parte din cărbune nu este transformat . În
schimb, pentru o cantitate mai mare de oxigen, o parte din gazul produs est e ars iar temperatura crește
foarte repede. Prin urmare, menținerea patului gazeificatorului la un nivel constat asigura automat și
necesarul corect de oxigen.

1.5 Gazeificatorul și elementele componente ale acestuia

1.5.1 Gazeificatorul – Generalități

➢ este un dispozitiv relativ simplu. Mecanica funcționării lui, cum ar fi alimentarea și curățarea
gazelor, este de asemenea simplă. Funcționarea cu succes a gazificatoarelor, însă, nu este atât de
simplă pe cât pare. Nu există regulii clare, deoarece termodi namica funcționării gazeificării nu este
bine înțeleasă.
Pe lângă instrumentele de măsură a presiuni, debitelor și temperaturilor în punctele cruciale, un
sistem complet necesită mijloace pentru stocare și eventual uscare a biomasei, pentru alimentarea
biomasei, pentru a elimina cenușa, pentru a împinge sau a trage gazul prin sistem sau pentru a curăța
gazul, urmând mai apoi arderea acestuia.
Principiul de funcționare și elementele componente ale unui sistem de gazeificare sunt prezentate
în figura de mai jos :

– 19 –

Fig. 1.7 Sistem complet de gazeificare
Sursă : Thomas B. Reed and Agua Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems , Biomass Energy Foundation, 1988

1.5.2 Elementele componente ale unui sistem de gazeificare

1.5.2.1 Stocarea și alimentarea gazeificatorului

a) Stocarea
Se face cu ajutorul unui coș, siloz sau buncăr în care este depozitată materia primă, cum ar fi
peletele, resturi vegetale, bucăți de lemn sau alte forme de biomasă, pentru a nu se uda. În multe dintre
cazuri, costurile pentru o asemenea componentă este redus.
b) Alimentarea
Gazeificatoarelor mici se poate fac e și manual, însă, există pericolul ca acesta să rămână fără
combustibil care are drept urmare supraîncălzirea gazeificatorului, pe măsură ce cărbunele rămas în
interior arde. Pentru evitarea acestui lucru este recomandat ca sistemele de gazeificare destin ate
funcționării continue să fie echipate cu un senzor de nivel al combustibilului.

– 20 –

Combustibilii de biomasă curg doar parțial din buncăr, cu ajutorul gravitației, astfel încât poate
fi nevoie ca aceștia să fie agitați pentru a ajunge în gazeificator. Biomasa poate fi deplasată lateral sau
vertical cu ajutorul benzilor transportoare, elevatoare cu găleată, suflante pneumatice și alimentatoare
vibratoare.

Fig. 1.8 Dispozitive de alimenta re
Sursă : Thomas B. Reed and Agua Das, Handbook of B iomass Downdraft Gasifier Engine Systems , Biomass Energy Foundation, 1988

Cenușa rezultată în urma procesului de gazeificare trebuie scoasă și depozitată pe măsură ce
este produsă. Pentru acest lucru este nevoie de un receptor de cenușă etanș la aer, deoa rece aceasta se
poate reaprinde spontan. Deși cenușa reprezintă doar 2% până la 5% din greutatea totală a biomasei,
volumul acesteia poate reprezenta o fracțiune mai mare din volumul biomasei datorită densității sale
mici. Pentru a afla volumul necesar al receptorului de cenușă se ține cont de densitățile de masă a
cărbunelui, care variază între 0,064 până la 0.4 g/ 𝑐𝑚3.

1.5.2.2 Ventilatoare, suflante, ejectoare și turbocompresoare

Este important să se adopte o metodă adecvată pentru a trage sau pentru a împinge gazul prin
gazeificator, deoarece masa gazului și a aerului este mult mai mare decât masa combustibilului.
Motorul alimentat poate servi în acest scop.

– 21 –

Fiecare motor cu combustie internă reprezintă un compresor, deoarece acesta comprimă
combustibilul și aerul din admisie până la o presiune cuprinsă între 10 și 30 bar. În momentul în care
un motor funcționează pe gazul, acesta poate asigura și aspirația și compresia pentru gazeificator.
a) Ventilatoarele
Ventilatoarele tip elice sunt folosite l a gazeificatoare doar pentru a deplasa aerul prin
schimbătoarele de căldură și radiatoare. Acestea nu sunt folosite pentru mișcarea gazului.
b) Suflante
Sunt folosite în general pentru a genera presiuni mari. Pentru a ajunge la aceste presiuni,
acestea trebui e să se rotească foarte rapid sau să aibă un diametru relativ mare, deoarece forța
centrifugă este cea care creează presiunea. Are rolul de a elimina și o anumită cantitate de gudron și
particule , însă e nevoie de un mijloc de drenare și curățare a suflant ei. Sunt utilizate atât pentru a
împinge aerul în gazeificator cât și pentru a trage gazul din sistem la o presiune negativă. Majoritatea
defecțiunilor suflantelor se datorează depunerilor pe rotor sau arborele acesteia, lucru care face ca
fiabilitatea să fie limitată.

Fig. 1.9 Suflantă centrifugă
Sursă : Thomas B. Reed and Agua Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems , Biomass Energy Foundation, 1988

c) Ejectoare
Reprezintă un mijloc foarte convenabil și simplu pentru a pune în mișcare gazele murdare. Nu
sunt expuse piese mobile la contaminații cu gaz, motiv pentru care sunt mai fiabile în timp. Principiul
de funcționare este unul simplu ; utilizează o cantitate mică de gaz pentru a muta cantități mai mari
din un al doilea gaz, în mare parte a timpului la presiuni negative. Aerul comprimat, azotul sau aburul
pot fi utilizate pentru a pune în funcțiune ejectorul. De asemenea, se pot folosi jeturile de apă, pentru
a muta, a ră ci, a curăța și a amesteca gazul.

– 22 –

Fig. 1.10 Ejector
Sursă : Thomas B. Reed and Agua Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems , Biomass Energy Foundation, 1988

d) Turbocompresoare
Puterea generată de motor este direct proporțională cu conținutul de energie al amestecului
combustibil -aer care ajunge în camera de ardere. Un amestec de gaz și aer are cu 30% mai puțină
energie decât un amestec benzina -aer, lucru care duce la o pierdere de putere de minimum 30% la
orice rpm1. Presiunea în admisie poate fi crescută pentru a depăși această pierdere de putere de către
un turbocompresor folosind presiunea de evacuare a motorului pentru a an grena o turbină care
funcționează din puterea arbor elui motorului. Aceste turbocompresoare sunt utilizate pe scară largă la
motoarele diesel și mașinile de curse sau chiar pentru unele motoare cu aprindere prin s cânteie. Aceste
turbocompresoare pot atinge aproape orice presiune necesară, însă costurile sun t pe măsură.

Fig. 1.11 Turbocompresor
Sursă : Thomas B. Reed and Agua Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems , Biomass Energy Foundation, 1988

1 rpm – rotații pe minut

– 23 –

1.5.3 Elemente de filtrare – Filtre

1.5.3.1 Colectoarele uscate

a) Separatoare ciclonice

Un separator ciclon ic transmite gazelor o mișcare rotativă și, prin urmare, crește rata de
decantare de mai multe ori decât cea indusă de gravitație. În esență, este un separator gravitațional
care a fost îmbunătățit de o componentă de forță centrifugă. Performanța ciclonului este evaluată în
ceea ce privește diametrul tăierii particulelor sau dimensiunea tăierii.
Relația dintre diametrele de tăiere a particulelor pentru acest tip de separator este dată de Fig.
1.8, unde 𝑑𝑝50 reprezintă diametrul particulelor iar indicele numeric indică eficiența de colectare a
particulelor.
Dacă se introduce în separatorul ciclonic particule grosiere odată cu particulele fine, pot apărea
doua efecte dăunătoare. În primul rând, particulele mari pot bloca intrarea în ciclon. În al doilea rând,
viteza mare din interiorul separatorului poate rupe particulele grosiere.

Fig. 1. 12 Gradul de eficiență al ciclonului
Sursă : http://wiki.gekgasifier.com/f/HandbookReedPg84Cyclone.p df

– 24 –

b) Filtre de aer

Filtrele de aer sunt utilizate astăzi pe scară largă pentru a capta particulele fine de praf și pentru
a le separa de gazele de ardere. Un astfel de filtru este format dintr -una sau mai multe pungi fibroase,
sprijinite pe cuști metalice închise prin care t rebuie să treacă gazele. Pe măsură ce se acumulează tot
mai mult praf în filtru, acesta trebuie să fie agitat fie prin presiunea gazului fie prin mijloace mecanice,
ceea ce face ca particulele să cadă în partea de jos a carcasei filtrului.

Tabelul 1.2 Caracteristicile materialului filtrant

c) Precipitatori electrostatici

Precipitatorii electrostatici au o lungă istorie de utilizare industrială pentru a produce un gaz
extrem de curat. În timpul filtrării, gazul trece printr -o cameră care conține un ele ctrod central negativ
de înaltă tensiune (10 -30 kV). În jurul electrodului se formează o descărcare corona care imprimă o
încărcare negativă a tuturor particulelor. Odată încărcate negativ acestea migrează apoi spre electrodul
pozitiv care poate fi spălat cu un flux de apă continuu pentru a le îndepărta. Acest tip de filtru este
eficient pentru toate dimensiunile de particule.

– 25 –

Tabelul 1.3 Performanțele precipitatoarelor electrostatice

1.5.3.2 Epuratoare umede

a) Turnuri de pulverizare

Cel mai simplu tip de epurator umed îl reprezintă turnul de pulverizare care este compus dintr –
un cilindru gol în interiorul căruia se află duze de pulverizare. Dimensiunea optimă a picăturii de
pulverizare este cuprinsă între 500 până la 1000 µm. Viteza t ipic ascendentă a gazului pentru un turn
de pulverizare este de 0,6 până la 1,21 m/s, colectarea particulelor realizându -se în momentul în care
acestea se ridică cu fluxul de gaz și au impact cu picăturile care cad prin cilindru. Acest element de
filtrare este preferat de a fi folosit ca și prefiltru pentru particulele de praf extrem de grele.

Fig. 1. 13 Turn de pulverizare
Sursă: Thomas B. Reed and Agua Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems , Biomass Energy Foundation, 1988

– 26 –

b) Epuratoare cu pulverizare ciclonice

Epuratoarele cu pulverizare ciclonice combină turnul de pulverizare cu separatorul ciclonic
uscat . Acesta îmbunătățește eficiența de captare a particulelor datorită picăturilor de pulverizare. Acest
filtru, are avantajul, în comparație cu turnul de pulverizare, de a fi auto -curățat și prin urmare poate
colecta mai multe particule indiferent de dimensiunile lor chiar și la căderi de presiune mai mici.

Fig. 1.1 4 Epurator cu pulverizare ciclonic
Sursă : Thomas B. R eed and Agua Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems , Biomass Energy Foundation, 1988

c) Epuratoarele Venturi

Epuratoarele Venturi captează particulele mari prin lovire și coliziune și clătește de asemenea
orice formă de depuneri care s -ar putea forma astfel. Unele particule foarte fine pot fi capturate, de
asemenea, prin difuzie. Presiunea scăzută la gâtul epuratorului provoacă condens și viteza relativă
ridicată a particulelor în raport cu gazul, captând astfel majoritat ea particulelor mari. Eficiența
colectării și dimensiunea picăturilor este determinată de scăderea presiunii, aceasta putând fi crescută
prin reducerea zonei gâtului pentru a crește presiunea.

– 27 –

Fig. 1.1 5 Epurator ul Venturi
Sursă: Thomas B. Reed and Agua D as, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems , Biomass Energy Foundation, 1988

1.5.4 Echipamente auxiliare

1.5.4.1 Răcitoare de gaz

Vapori de apă acționează precum un diluant inert al gazului produs, scăzând în primă fază
valoarea de încălzire a acestuia și, în final, scăderea puteri motorului sau a arzătorului. O mare parte
din acești vapori pot fi îndepărtați prin răcirea gazului iar ulterior, prin condensarea apei. Această
cantitate de apă rămasă după etapele de răcire și condensare a gazului poate fi determinată ușor de la
cea mai mică temperatură la care gazul a fost răcit. Dacă apare condensul, înseamnă că temperatura
gazului este mai scăzută decât temperatura punctului de rouă.
Diluarea vaporilor de apă se va minimiza prin utiliz area unor combustibili cât mai uscați, prin
urmare și gazul va conține mai puțină apă. Răcirea gazului la o temperatura de 40 ⁰C reduce conținutul
de apă până la sub 8%, lucru care duce la o îmbunătățire substanțială a calității gazului.

– 28 –

1.5.4.2 Uscăt oare de gaz

Efectul de diluare sau uscare a vaporilor de apă asupra valorii de încălzire a gazului umed
poate fi determinat cu ajutorul valori de încălzire a gazului uscat și a fracției de umiditate din figura
de mai jos :

Fig. 1.1 6 Conținutul de apă al gazelor saturate produse
Sursă : Thomas B. Reed and Agua Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems , Biomass Energy Foundation, 1988

1.5.5 Eliminarea depunerilor înmagazinate

1.5.5.1 Cenușa

Cenușa rezultată din gazul produs nu conține materiale periculoase, prin urmare poate fi arsă
sau depozitată. În momentul în care este arsă până la cenușa albă, conține minerale valoroase care pot
fi returnate în mod benefic în sol. Cărbunele este un combustibil valoros, cu o ardere curată, care
valorează de câteva ori mai mult decât lemnul. Pe lângă mineralele valoroase ale solului, cenușa poate
fi folosită drept îngrășământ pentru sol, ceea ce duce la o îmbunătățire a producției.

– 29 –

1.5.5.2 Gudron

Un gazeificat or care produce mai mult de 0,5 g / 𝑁𝑚3 de gudron nu poate fi curățat în mod
corespunzător pentru a putea fi folosit în aplicații cu motor datorită cantităților mari de gudron care
trebuie capturate și eliminate.
Așadar, un motor de 100 CP ar produce aproximativ 4,8 kg de gudron într -un interval de 24
ore. La temperatura camerei, gudronul este un fluid vâscos, cu flux lent. Acesta poate conține
substanțe cancerigene și trebuie tratat cu atenție sporită, prin urmare este interzisă aruncarea aces tuia
pe pământ.
1.5.5.3 Condens

Condensatul lichid din gazul produs poate conține cantități substanțiale de gudron și fenoli.
Acestea din urmă sunt germicide bine cunoscute și vor ucide bacteriile din sol dacă sunt răspândite pe
pământ. Dacă este arunca t în râuri, poate deteriora formele de viață susținute de acestea.

1.6 Tipuri de gazeificatoare

1.6.1 Gazeificatorul în curent ascendent

Intrarea de aer a acestui gazeificator este în partea de jos și gazul pleacă în partea de sus. În
apropierea grătarului d in partea de jos au loc reacțiile de ardere, care sunt urmate de reacții de reducere
ceva mai mari în gazeificator. În partea superioara a acestuia, încălzirea și piroliza materiei prime are
loc ca urmare a transferului de căldură prin convecție forțată și radiații din zonele infer ioare. Cenușa
este înlăturată din partea inferioară a gazeificatorului iar volatilele produse în timpul acestui proces
sunt transportate în fluxul de gaz.
Principalul avantaj al acestui gazeificator îl reprezintă simplitatea acest uia precum și posibilitatea
de a opera cu mai multe tipuri de materii prime printre care și biomasa.

– 30 –

Fig. 1. 17 Gazeificator în curent ascendent
Sursă: https://5.imimg.com/data5/LA/DJ/GLADMIN -20642106/selection_029 -500×500.png

1.6.2 Gazeificatorul în curent desce ndent

Acest gazeificator este o soluție pentru problema înrădăcinării gudronului în fluxul de gaz.
Gazul produs este îndepărtat în partea inferioară a gazeificatorului, astfel încât combustibilul și gazul
să se deplaseze în aceeași direcție.
Principalul avantaj al acestui gazeificator constă în posibilitatea p roducerii unui gaz fără
gudron, adecvat pentru aplicațiile cu motor.
Principalul dezavantaj major al acestui gazeificator constă în incapacitatea sa de a funcționa
pe o serie de combustibili neprocesați, în special, materialele pufoase și cu densitate scăz uta care dau
naștere problemelor de curgere și cădere excesivă de presiune, iar combustibilul solid trebuie sa fie
peletizat sau brichetat înainte de utilizare.

– 31 –

Fig. 1. 18 Gazeificator în curent descendent
Sursă: https://www.bios -bioenergy.at/typo3temp/pics/ba45bb47eb.jpg

1.6.3 Gazeificatorul în curent transversal

Gazeificatorul în curent transversal este o adaptare pentru utilizarea cărbunelui drept
combustibil. Gazeificarea cărbunelui are ca rezultat temperaturi foarte ridicate de peste 1500 ⁰C în
zona de oxidare care poate duce la probleme materiale privind construc ția gazeificatorului. În acest
tip de gazeificatoare, izolarea împotriva acestor temperaturi foarte ridicate este asigurată de
combustibilul în sine, și anume cărbunele. Instalațiile cu o putere instalată a arborelui sub 10 kW pot
fi realizate în anumite con diții cu costuri relativ mici datorită modului foarte simplu de curățare a
gazului care constă într -un ciclon și un filtru la cald care poate fi folosit în momentul în care este
utilizat împreuna cu motoare mici.
Dezavantajul acestui tip de gazeificator este capacitatea minimă de transformare a gudronului
și necesită un cărbune de înaltă calitate care să aibă un conținut scăzut de volatili.

– 32 –

Fig. 1. 19 Gazeificato r în curent transversal
Sursa : http://biofuelsacademy.org/WordPress/wp -content/uploads/2014/02/cdgas2.png

1.6.4 Gazeificator ul cu substrat fluidizat

Problemele întâlnite la acest gazeificator cu substrat fluidizat sunt: zgura și scăderea presiunii
extreme în gazeificator. Aerul este suflat printr -un pat de particule solide cu o viteză suficient de mare
pentru a le menține într -o stare de suspensie. Substratul gazeificatorului este încălzit inițial, iar
materiile prime sunt introduse în momentul în care este atinsă o temperatură suficient de ridicată.
Introducerea particulelor de combustibil se face prin partea de jos a reactorului, amestecându -se foarte
rapid cu materialul patului și încălzite aproape inst ant pana la temperatura acestuia. În urma acestui
procedeu, combustibilul este pirolizat repede, rezultând un amestec de componente cu o cantitate
relativ mare de materiale gazoase. În această fază apar reacții le de gazificare . Majoritatea acestor
gazeific atoare sunt echipate cu un ciclon intern pentru a reduce cât mai mult posibil explozia.
Particulele rezultate sunt transportate prin partea superioară a reactorului și trebuie eliminate
din fluxul de gaz dacă acesta urmează să fie introdus într -un motor.

– 33 –

Avantajele acestui tip de gazificator provin din flexibilitatea materiei prime care rezultă dintr –
un control ușor al temperaturii, care poate fi menținut sub punctul de topire sau fuziune a cenușii
precum și capacitatea acestora de a face față cu brio mat erialelor pufoase și cu granule fine, cum ar fi
rumegușul, fără a fi nevoie de pre -prelucrare.

Fig. 1. 20 Gazeificato r cu substrat fluidizat
Sursă: https://worldbioenergy.org/uploads/Factsheet%20 -%20Thermochemical%20gasification%20of%20Biomass.pdf

1.6.5 Alte tipuri de gazeificatoare

În momentul de față, se află în dezvoltare o serie de alte sisteme de gazeificare a biomasei care
sunt parțial derivate din tehnologia de gazeificare a cărbunelui. În unele cazuri, sistemele includ
rafinări și instalații complicate, în alte le, atât dimensiunea, cât și complexitatea echipamentului fac
posibilă aplicarea pe termen scurt în țările în curs de dezvoltare.
În țările industrializate, motoarele cu ardere internă sunt utilizate în principal pentru
autovehicule î n timp ce mai multe ță ri în curs de dezvoltare folosesc gazificatoare și sunt în plin proces
de evaluare a tehnologiei.
Funcționarea acestor motoare staționare cu aprindere prin scânteie sau cu aprindere prin
compresie care folosesc benzină sau motorină este caracterizată în ge neral de fiabilitatea ridicată și
eforturi minore din partea operatorului. În condiții normale, rolul operatorului se limitează la

– 34 –

realimentare și întreținere. Nu este nevoie de acțiuni și practic nu există riscul de a te murdări , pornirea
și oprirea aces tora p utând fi complet automat ă.
Multă lume se așteaptă la ceva similar și pentru funcționarea motoarelor cu gaz provenit din
biomasă însă nu e chiar așa. Pregătirea sistemului pentru pornire poate necesita uneori chiar și o
jumătate de oră. Combustibilul este voluminos și dificil de manevrat iar alimentarea frecventă cu
acesta este adesea necesară, acest lucru limitând timpul în care motorul poate funcționa
nesupraveg heat. Pe l ângă cele enumerate mai sus, în urma procesului de gazeificare rezultă reziduri,
cum ar fi cenușă sau funingine .
Utilizarea acestor motoare poate fi, de asemenea, periculoasă dacă operatorul încalcă normele
de siguranță sau neglijează întreținerea sistemului. Pot ap ărea intoxicații, explozii și incendii cauzate
de proiectări nesigure sau manipularea nepăsătoare a echipamentului.

– 35 –

Capitolul 2. Energia Electrică

2.1 Electricitatea

➢ este ansamblul fenomenelor fizice asociate cu prezența și mișcarea materiei care are o
proprietate de încărcare electrică. Aceasta este strâns legată de magnetism, ambele făcând parte din
fenomenul electromagnetismului. Fulgerele, descărcările electrice și multe altele sunt fenomene strâns
legate de electricitate. Prezența unei încărcări electrice, care poate fi negativă sau pozitivă, produce
un câmp electric. Mișcarea sarcinilor electrice reprezintă un curent electric și produce un câmp
magnetic.

Fig. 2.1 Fulger
Sursă : https://en.wikipedia.org/wiki/Electricity#/media/File:Lightning3.jpg

Energia electrică se află în centrul multor tehnologii moderne, fiind folosită pentru:
• energia ele ctrică – curentul electric produs este utilizat pentru
alimentarea echipamentelor dependente de acesta
• electronică – cuprinde circuitele electrice care implică
componente electrice active, cum ar fi tranzistoare, diode, circuite integrate
și tehnologii de interconectare pasivă asociate acestora.

– 36 –

2.2 Energia Electrică

➢ este energia derivată din energia electrică potențială sau energia cinetică. Putem defini energia
electrică ca energia generată de mișcarea electronilor dintr -un punct în altul, printr -un cond uctor, care
poarta denumirea de curent sau electricitate.

Fig. 2.2 Energia electrică
Sursă : http://img.gawkerassets.com/img/187bzswqhpil0jpg/original.jpg

Energia electrică este cea mai convenabilă forma de energie pentru majoritatea utilizatorilor
umani deoarece este ușor de utilizat, se deplasează dintr -o locație în alta, însă este aproape imposibil
de stocat într -o cantitate relativ mare. Este folosită pe ntru încălzirea locuințelor, iluminarea acestora
dar și pentru transportul persoanelor dintr -o parte în alta. Aceasta nu este o sursă de energie primară,
drept pentru care, se folosesc materii prime care cu ajutorul unui generator electric pentru a o produ ce
iar mai apoi este transportată urmând a fi folosita în societate.
Aceasta se obține din alte forme de energie în urma unor transformări cum ar fi:
– Transformarea energiei chimice a combustibililor în turbine cu aer, gaz
sau motoare cu ardere internă , în Termocentrale ;
– Transformarea energiei potențiale sau cinetice a apelor , în
Hidrocentrale ;
– Transformarea energiei atomice , în Centrale Nucleare ;
– Transformarea altor forme de energie, cum ar fi : energia solar ă, eolian ă,
biomasă sau energia mareelor.

– 37 –

2.3 Ponderea energiei electrice la nivel global

La nivel global , consumul de energie a fost redus cu 1,5%, pentru prima dată după al doilea
război mondial. Exceptând Asia și Orientul Mijlociu, consumurile au fost reduse în toate regiunile
lumii. În țările care fac p arte din Organizația pentru Cooperare și Dezvoltare Economica (OCDE),
reprezentând 53% din total, cererea energiei electrice a scăzut cu mai mult de 4,5%, atât în Europa cât
și în America de Nord, în timp ce în Japonia a scăzut cu peste 7%. În schimb, în C hina și India
consumul de energie electrică a continuat să crească într -un ritm alert, cu peste 6 -7% pentru a satisface
cererea de energie legată de creșterea economică ridicată.
În topul consumului de energie se afla China, cu peste 4 .800 TWh , urmată de Statele Unite ale
Americi cu peste 4 .000 TWh , iar pe locul 3 se afla Japonia cu 989 TWh . Consumul total la nivel
global este de aproximativ 20.900 TWh .
Principala sursă de producere a energiei electrice o reprezintă în continuare cărbunele, cu un
procent de 38,3%, urmată de hidrocarburi cu 22,9%. Energia nucleară constituie un procent de 10,2%
iar energia produsă din surse regenerabile reprezintă un procent de 22,9%. Pe ultimul loc se afla uleiul
urmat de alte tipuri de energie.

Fig.2.3 Grafic reprezentativ, producție la nivel global în anul 2019
Sursă : https://images.ukessays.com/180520/6/0693612.001.jpg

Tendința este ca până în anul 2040, creșterea consumului de energie electrică să fie acoperit
de creșterea cu peste 80% din surse regenerabile. Vor fi construite noi centrale nucleare, în princi pal

– 38 –

pentru a le înlocui pe cele vechi. Partea nucleară a producției de energie electrică va crește de la 11 %
la 12% în tim p ce partea de energie regenerabilă crește mult, de la 21 % la 33%.

2.4 Ponderea energiei electrice în România

România, în momentul actual are o putere instalată de generare a energiei electrice de
aproximativ 20.000 MW. Principala sursă de producere a energiei o reprezintă Hidroelectrica, cu o
capacitate instalată de 6382 MW, urmată de Complexul Energetic Oltenia, având o capacitate de 3240
MW. Nuclearelectrica reprezintă cel mai constant producător care poate furniza o putere totală de
1400 MW din cele doua reactoare funcționale. Energia regenerabilă , cu o putere instalată de
aproximativ 5000 MW a fost cu greu acc eptata în sistemul energetic datorită dependenței de condițiile
meteo . La acestea se mai adaugă doua centrale pe gaz, deținute de Romgaz (Iernut) și Petrom (Brazi)
care injectează în sistemul energetic încă 800 MW.

Fig. 2. 4 Grafic reprezentativ, produc ție în România la data de 03.07.2020
Sursă : http://www.transelectrica.ro/web/tel/home

– 39 –

Capitolul 3. Gazeificatoare mici pentru lemn și cărbune folosite la motoarele
cu ardere internă

Gazificarea cărbunilor și a combustibililor care conțin carbon pentru utilizarea acestora ca și
combustibil în motoarele cu ardere internă este o tehnologie folosita de mai bine de un secol.
Recent, a ex istat un interes nou pentru aceas tă tehnologie, în principal pentru utilizarea
biomasei. Exista dovezi bine documentate că în timpul celui de -al doilea război mondial, peste un
milion de autobuze, camioane, mașini, nave și trenuri au folosit drept combusti bil gazul produs din
arderea lemnului, cărbune sau turbă. Cu toate acestea, după terminarea războiului, datorită comodității
și fiabilității a început să se treacă treptat iar la combustibili fosili.

3.1 Alimentarea motoarelor cu gazul produs

Gazul produs se referă la gazul generat atunci când lemnul sau cărbunele este gazeificat prin
aer. Aproximativ 40% din aceste gaze combustibile sunt în principal monoxid de carbon, h idrogen si
metan. Restul este neinflamabil, compus din azot, dioxid de carbon și vapori d e apă.
Gazul conține, de asemenea, gudron, acizi și praf. Aceste impurități pot provoca probleme de
funcționare și uzură anormală a motorului. Principala problem ă a sistemului de gazificare este de a
produce un gaz cu o proporție mare de componente combust ibile și cu cât mai puține impurități.

3.2 Posibilitatea de a folosi diferite tipuri de gaz în motoare

Motoarele cu aprindere prin scânteie, utilizând în mod obișnuit benzina drept combustibil, pot
funcționa și pe gaz. Motoarele diesel pot fi transformate pe ntru a folosi gazul prin reducerea raportului
de compresie și instalarea unui sistem de aprindere prin scânteie. O alt ă posibilitate o reprezint ă
alegerea unui motor diesel neconvertit într -un mod „dual fuel” prin care acesta poate funcționa atât
pe gazul produs de gaz eificator , dar la nevoie pot funcționa și pe motorină.

– 40 –

Avantajul acestuia din urmă sistem constă în flexibilitatea sa: în cazul unei funcționari
defectu oase a gazificatorului sau lipsa combustibilului de biomasă, în general este posibilă o
schimbare imediată a funcționării complete pe motorin ă. Cu toate acestea, nu toate tipurile de motoare
diesel pot fi convertite în modul de funcționare menționat mai sus.
Raporturile de compresie ale motoarelor diesel cu cameră anterioară și cameră de turbul ență
sunt prea mari pentru funcționarea satisfăcătoare a modului „dual fuel”. Utilizarea gazului produs de
gazeificator în motoarele respective duce la loviri cauzate de presiuni prea mari combinate cu
aprinderea întârziată. Motoarele diesel cu injecție directă au raporturi de compresie mai mici și pot fi
in general convertite cu succes.

3.3 Puterea motorului care funcționează pe gaz

Puterea de ieșire de la un motor care funcționează pe gaz este determinată de aceeași factori
ca și pentru un motor care funcționează pe combustibili lichizi, și anume :
– Valoarea de încălzire a amestecului combustibil -aer care intră
în motor la fiecare cursă de piston . Această valoare depinde de
cantitățile relative ale diferitelor componente combustibile din
gaz, cum ar f i: monoxid de carbon, hidrogen și metan
– Cantitatea amestecului de combustibil care intră în motor la
fiecare cursă a pistonului. Aceasta reprezintă combustibilul
efectiv care intră în motor și este determinată de volumul
cilindrului și presiunea gazului
– Eficiența cu care motorul transformă amestecul de combustibil
în energie mecanică denumită și puterea arborelui. Aceas tă
eficiență este dată de raportul de compresie al motorului.
– Numărul rotațiilor pe minut, pe scurt : rpm
Transformarea unui motor care funcționează pe bază de combustibil lichizi într -un motor care
funcționează pe gaz va conduce, în general, la o putere re dusă a acestuia.

– 41 –

Fig. 3.1 Raportul dintre compresia și eficiența termică a motorului
Sursă : http://www.fao.org/3/a -t0512e.pdf

3.4 Maximizarea puterii de ieșire în exp loatarea motorului cu gaz

Este evident că valorile cele mai ridicate de încălzire pentru amestecul de combustibil se obțin
la cea mai mare valoare de încălzire a gazului în sine. Minimizarea pierderilor de căldură de la
gazeificator este importantă pentru a atinge o valoare ridicată a încălzirii gazului. Conținutul de
umiditate și distribuția dimensiunilor sunt două dintre cele mai importante caracteristici ale
combustibilului.
În amestecul gazului cu aer, există un motiv în plus pentru pierderea de energie care se
datorează schimbărilo r din compoziția gazului, precum și variația scăderilor de presiune din
gazeificator și este foarte dificil să se mențină continuu un amestec stoechiometric între gaz și aer.

– 42 –

Deoarece atât excesul, cât și deficitul de aer conduc la o scădere a valori de î ncălzire a
amestecului, ambele conduc la o scădere substanțială a puterii, așa cum este ilustrat în figura de mai
jos:

Fig. 3.2 Scăderea valorii de încălzire a amestecului gaz / aer în funcție de excesul sau
deficitul de aer
Sursă : http://www.fao.org/3/a -t0512e.pdf

3.5 Puterea rezultată

Pentru motoarele care funcționează pe benzină , dar nu au o turbină sau nu sunt
supraalimenta te, pierderile de putere sunt limitate la aproximativ 30%. Motoarele cu combustie care
funcționează împreună cu o turbină și sunt alimentate cu gaz pot avea puteri egale cu cele din
funcționarea lor pe benzină.
Pentru motoarele diesel cu injecție directă care funcționează cu dublu combustibil, pierderile
de putere sunt cuprins e între 15 și 20%. Amestecul este de 80% gaz și 20% combustibil lichid, adică
motorină.

– 43 –

3.6 Cerințe privind calitatea gazelor pentru funcționarea motoarelor

Pentru un sistem de gazeificare care este utilizat împreună cu un motor cu ardere internă, o
cerință importantă o reprezintă alimentarea cu gaz suficient de curat, care să nu conțină particule de
praf, gudron sau acizi. Cantitățile tolerabile ale acestor substanțe pot varia în funcție de tipul
motorului.
Pentru motoarele disponibile în prezent, valorile s unt următoarele :
– Praf – mai mic de 50 mg/ 𝑚3 gaz, de preferintă 5
mg/𝑚3 gaz
– Gudron – mai mic de 500 mg/ 𝑚3 gaz
– Acizi – mai mic de 50 mg/ 𝑚3 gaz

– 44 –

Capitolul 4. Sistem de cogenerare cu gazeificator pe bază de lemn

4.1 Sistemul de cogenerare

Gazul produs în urma gazeificări biomasei poate fi utilizat la producerea de energie curată,
cum ar fi căldura, lucru mecanic sau electricitatea. Așa cum am discutat mai sus, se poate folosi o
gamă largă de deșeuri vegetale, dacă sunt pregătite în mod corespunzător. Cele mai comune aplicații
se bazează pe motoarele cu ardere internă, care pot fi convertite pentru a funcționa parțial sau total pe
gaz. Totuși, în prezent nu există o tehnologie concepută special pentru acest lucru iar tendința este de
adaptare și utilizare a motoarelor existente.
În funcție de puterea de ieșire, aceste sisteme de cogenerare se împart în :
– Aplicații la scară largă, cu o putere de 500 kW sau mai mare
– Aplicații la scară medie, cu o putere cuprinsă între 30 și 500 kW
– Aplicații la scară mică, cu o putere cuprinsă între 7 și 30 kW
– Aplicații la scară micro, cu o putere cuprinsă între 1 și 7 kW
Sistemul de cogenerare este prezen tat în figura de mai jos:

Fig. 4.1 Sistem de cogenerare
Acesta este compus dintr -un gazeificator (1), care funcționează împreună cu un motor cu
ardere internă (3). Gazul care rezultă în urma procesului de gazeificare este curățat în filtrul (2).

– 45 –

Motorul cu ardere internă este cuplat la un generator electric (4) care produce energia electrică.
Apa de răcire a motorului este trecută printr -un schimbător de căldură (6) iar gazul de evacuare prin
schimbătorul de căldură (8). Înainte de intrarea gazului în motor, acesta este răcit și el cu un
schimbător de căldura (7), utilizat pentru producția de apă caldă din cazanul (5).
Pentru realizarea sistemului se alege un gazei ficator în curent descendent , avantajul acestuia
rezultând din faptul că poate produce un gaz fără gudron, potrivit aplicațiilor cu motor. În comparație
cu gazeificatorul în curent ascendent , acesta are o eficiență crescută datorită schimbului de căldură
intern precum ș i valori mai scăzute a încălzirii gazului.

4.2 Calcule de proiectare

4.2.1 Puterea motorului

Motorul pentru care se dimensionează gazeificatorul este un motor pe benzină de 1400 𝑐𝑚3,
fără turbină sau supraalimentare, dezvoltând o putere de 60 CP. Pentru a putea parcurge calculele în
continuare, este necesară transformarea puteri din CP în kW. 1
𝑃𝑚𝑖=60 𝐶𝑃∗0,7457 =44,74 𝑘𝑊 (4.1)
44,74 kW – 10%=40,26 kW

4.2.2 Pierderile de putere în urma conversiei la combustibil gazos

Datorită faptului că motorul nu dispune de supraalimentare sau turbină, în urma conversiei
pentru funcționarea acestuia pe gaz, apar pierderi de putere care pot ajunge până la 30% din puterea
nominală a acestuia. Procentul pentru care se calculează puterea reprezintă 10%.
𝑃𝑚𝑓= 44,74 kW – 10% = 40,26 kW (4.2)
În urma calculului rezultă că, puterea la arborele motorului este de 40,26 kW.

1 1 CP = 0,7457 kW

– 46 –

4.2.3 Puterea mecanică necesară generatorului și consumul de combustibil

Se consideră eficiența generatorului 𝑒=0,9. Puterea electrică a acestuia se calculează în
felul următor :
𝑃𝑒= 𝑃𝑚𝑓∗𝑒=40,26∗0,9=36,23 𝑘𝑊 (4.3)

Eficiența globală a motorului cu piston este 𝑚=0,7. În urma arderi gazului, puterea termică
rezultată este :
𝑄𝑔𝑎𝑧=𝑃𝑚
𝑚 = 40,26 𝑘𝑊
0,3 = 134,2 kW (4.4)

Având în vedere că energia termică se poate recupera în proporție de 45% – 55%, obținem:
𝑃𝑡= 𝑄𝑔𝑎𝑧∗50% =134 ,2 𝑘𝑊 ∗50% =67,1 𝑘𝑊 (4.5)

1 kW = 860,420 kcal / h
𝑄𝑔𝑎𝑧=134 ,2 𝑘𝑊 =115 468 ,36 𝑘𝑐𝑎𝑙 / ℎ

Valoarea căldurii gazului este luată Hi = 3458 kcal/kg sau Hi = 1503,5 kcal/ 𝑁𝑚3. Debitul de
masă necesar gazului este :
𝐷𝑔𝑎𝑧=𝑄𝑔𝑎𝑧
𝐻𝑖 = 115 468 ,36 𝑘𝑐𝑎𝑙 /ℎ
1503 ,5 𝑘𝑐𝑎𝑙 /𝑁𝑚3 = 76,79 𝑁𝑚3/ℎ (4.6)

𝐷𝑔𝑎𝑧=76,79 𝑁𝑚3/ℎ

Gazul de ardere pentru 1 kg de lemn este 𝑉𝑔= 1,89 𝑁𝑚3/𝑘𝑔. Cantitatea de lemn consumată de
gazeificator este :
𝐹𝐶=𝐷𝑔𝑎𝑧
𝑉𝑔= 76,79 𝑁𝑚3/ℎ
1,89 𝑁𝑚3/𝑘𝑔=40,62 𝑘𝑔/ℎ (4.7)

FC = 40,62 kg/h

– 47 –

Cantitatea de lemn consumată într -un interval de 24 ore este :

𝐹𝐶∗24=40,62 𝑘𝑔/ℎ∗24=974 ,88 𝑘𝑔/𝑧𝑖 (4.8)

4.2.4 Proiectarea gazeificatorului în curent descendent

a) Detalii de proiectare

Gazeificatorul este destinat să facă parte din sistemul de cogenerare, producând o putere
electrică de 40 kW. Gazul produs în urma gazeificării este introdus în motorul cu piston, acesta din
urmă angrenând generatorul. Gazeificatorul este de tip descenden t, combustibilul dar și aerul
deplasându -se în aceiași direcție. Totodată, datorită modului simplu de funcționare, alimentarea cu
combustibil se realizează mai ușor, prin simpla deschidere a capacului superior.
Pentru ca motorul să funcționeze cu gazul pr odus, sistemul trebuie să conțină un ciclon pentru
separarea particulelor solide și un filtru pentru stocarea gudronului.
Unul dintre cei mai importanți parametrii pentru proiectarea gazeificatorului se numește
“încărcarea vatrei ”. Se prescurtează 𝐵𝑔 și este definită drept cantitatea de gaz produs în condiții
normale de presiune și temperatură, împărțit la suprafața “gâtului ” la circumferința cea mai mică,
exprimată în 𝑚3 / 𝑐𝑚2/ h. Alternativ, mai poate fi exprimată ca și cantitatea de combustibil usc at
consumat, împărțit la cea mai îngustă circumferință a “gâtului ” (𝐵𝑠) și poate fi exprimat în kg / 𝑐𝑚2/
h.
În condiții normale, un kilogram de combustibil uscat produce aproximativ 2,5 𝑚3gaz, relația
dintre 𝐵𝑔 și 𝐵𝑠 este dată de:
𝐵𝑔= 2,5
𝐵𝑠

(4.9)
În cazul unui design unic al gâtului, diametrul pentru vatră la înălțimea de intrare a aerului este
recomandat a fi cu 100 mm mai mare decât diametrul ”gâtului”. Înălțimea zonei de reducere ar trebui
să fie mai mare de 200 mm, înălțimea duzei de intrare a aerului trebuie să fie la 100 mm deasupra
construcției iar înclinarea “gâtului” trebuie sa fie cupri nsă între 45 ⁰ …60 ⁰ .

– 48 –

b) Dimensiuni principale și construcția gazeificatorului

În urma calculelor de la punctul 4.2.3 este cunoscut consumul de lemn al gazeificatorului, și
anume 40,62 kg / h pentru o valoare de încălzire a gazului Hi = 1,503,5 kcal / 𝑁𝑚3. Pentru a produce
1 kWh electricitate, gazeificatorul consumă 1, 12 kg biomasă.
Diametrul “gâtului” la cea mai mică suprafață a gâtului în secțiunea transversală este luat ca
fiind: dt = 70 mm. Odată fixat diametrul gâtului, cele mai importante dimensiuni ale gazeificatorului
pot fi determinate: suprafața “gâtului” 𝑆𝑡= 0,00385 𝑚2, vatra de încărcare 𝐵𝑔=0,743, înălțimea h
a planului duzei deasupra celei mai mici secțiuni transvers ale a gâtului h =100 mm.
Aerul necesar gazeificatorului este de 42,1 𝑁𝑚3 / h. Pentru această valoare, gazeificatorul este
echipat cu 5 duze. Diametrul duzei este 𝐷𝑛=8 𝑚𝑚, raportul între aria de curgere a duzei și zona
gâtului 𝑆𝑡 / 𝑆𝑛 =0,072 iar viteza de ieșire a aerului din duza este w = 41,3 m/s.

În figura de mai jos este reprezentat ă aranjarea duzelor de aer :

Fig. 4.2 Aranjarea duzelor

– 49 –

Gazeificatorul este fabricat prin sudare, folosindu -se un otel carbon S235 JR. Inima
gazeificatorului este fabricată dintr -un aliaj de otel W1 4828 datorită temperaturi ridicate la care este
supus ă acesta.
Pentru ca gazeificatorul să funcționeze optim este necesară o preîncălzire a aerului care intră
în acesta. Pentru acest lucru, aerul c are intră în duze este trecut prin 5 țevi circulare, sudate pe suprafața
exterioară a reactorului .

4.2.5 Elemente de filtrare a gazului

Pentru a elimina impuritățile gazului care intră în motorul cu piston, se vor folosi dou ă
elemente de filtrare, și anume :
– Separatoare ciclonice
– Filtre de aer
Separatoarele ciclonice și filtrele de aer au fost discutate în Capitolul 1, Subcapitolul 1.5.3,
„Colectoare uscate ” la punctele a) și b).

4.2.6 Proiectarea schimbătorului de căldură

Date inițiale :
– Puterea motorului 𝑃𝑚= 54 Cp = 44,74 𝑘𝑊
– Temperatura de intrare a agentului termic primar 𝑇2=90⁰C
– Temperatura de ieșire a agentului termic primar 𝑇2′=80⁰C
– Temperatura de intrare a agentului termic secundar 𝑇1=45⁰C
– Temperatura de ieșire a agentului termic secundar 𝑇1′=70⁰C
– Densitatea apei ρ = 1024 kg / 𝑚3
– Suprafața de schimb este dată de țevii de otel cu di/de = 0,45 / 0,5
– Schimbătorul de căldură va fi î n contracurent cu un randament de  = 98%
– Lungimea țevilor va fi de 0.5 m

– 50 –

a) Cantitatea de căldură cedată de instalația de răcire a motorului :
𝑄𝑐𝑒𝑑=0,25∗54 𝐶𝑃 = 13,5 CP (4.10)
1 CP = 0,736 kW
1Wh = 3600 J
1kWh = 3,6 MJ = 3600 kJ
Rezultă :
𝑄𝑐𝑒𝑑= 13,5 𝐶𝑃∗0,736 𝑘𝑊 ∗3600 𝑘𝐽=35 769 ,6 𝑘𝐽/ℎ (4.11)

b) Cantitatea de căldură primită de apa din circuitul secundar :

Randamentul schimbătorului este de 98%, avem :
𝑄𝑝𝑟𝑖𝑚𝑖𝑡 =𝑄𝑐𝑒𝑑
= 35 769 ,6
0,98=36 499 ,59 kJ/h (4.12)

c) Masele de agen ți vehiculate prin instalații:

Caracteristicile apei :
C2= 4, 18 kJ / kg;
𝜆1 = 4∗10−7 𝑚2/ s
𝑃𝑟1=2,45 – Numărul lui Prandl la temperatura medie
𝑇2=90⁰𝐶
𝑇2′=80⁰𝐶
𝐷𝑇 2=𝑇2−𝑇2′= 90 ⁰ – 80⁰ = 10⁰C (4.13)
Rezultă :

– 51 –

𝑚𝑎𝑝𝑎𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟 = 𝑄𝑐𝑒𝑑
𝐶2∗𝐷𝑇 2= 35 769 ,6
4,18∗10⁰=855 ,73 𝑘𝑔 (4.14)
𝑇1=45⁰C
𝑇1′=60⁰C
𝐷𝑇1= 𝑇1′−𝑇1=60⁰𝐶−45⁰𝐶=150𝐶 (4.15)

𝑚𝑎𝑝𝑎𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟 =𝑄𝑝𝑟𝑖𝑚𝑖𝑡
𝐶2∗𝐷𝑇1=36 499 ,59
4,18∗15⁰=582 ,13 𝑘𝑔 (4.16)

d) Adoptarea coeficientului global de schimb de căldura K

Se poate considera între valorile 800 – 1200 kJ / 𝑚2∗ℎ∗𝑔𝑟𝑑 .
Se alege 𝐾=800 𝑘𝐽 / 𝑚2∗ℎ∗𝑔𝑟𝑑

e) Calculul diferenței medii logaritmice de căldură

𝐷𝑇𝑚𝑎𝑥 = 𝑇2−𝑇1=900−450=45⁰C (4.17)

𝐷𝑇 𝑚𝑖𝑛 = 𝑇2′−𝑇1′=800−600=20⁰C (4.18)

𝐷𝑇 𝑙𝑜𝑔=𝐷𝑇𝑚𝑎𝑥 −𝐷𝑇𝑚𝑖𝑛
ln𝐷𝑇𝑚𝑎𝑥 /𝐷𝑇𝑚𝑖𝑛=45−20
ln45/20=25
0,81=34,070𝐶=30,8⁰𝐶= 31⁰C (4.19)

f) Suprafața totală de schimb de căldură

𝑆=𝑄𝑝𝑟𝑖𝑚𝑖𝑡
𝐾∗𝐷𝑇𝑙𝑜𝑔=36 499 ,59
800 ∗31= 1,47 𝑚2 (4.20)

– 52 –

g) Calculul numărului de țevi

Pentru a se afla acest număr este necesar mai întâi să se calculeze suprafața schimbului de
căldură al unei țevi :
𝑆𝑡=𝜋∗𝑑𝑒∗𝐿=3,14∗15∗10−3𝑚∗0,5 𝑚=23,55∗10−3𝑚2 (4.21)

Se calculează numărul țevilor necesare:
𝑛𝑡=𝑆
𝑆𝑡=1,47 𝑚2
23,55∗10−3𝑚2=1,47
0,0235=62,55=63 𝑏𝑢𝑐 (4.22)

h) Calculul diametrului 𝐷𝑡 pe care se așează țevile în eshichier

Esichier α = 60⁰
t=1,22 – pasul dintre țevi
𝑑𝑒=𝑡∗𝑑𝑒=1,22∗0.5=0,61 𝑚𝑚 (4.23)

𝐴𝑡=𝑛𝑡∗𝑑𝑒∗𝑑𝑒∗𝑠𝑖𝑛60𝑚𝑚2=63∗0,61∗0,61∗𝑠𝑖𝑛60𝑚𝑚2=54,55𝑚𝑚2=0,000054 𝑚2 (4.24)

Rezultă :
𝐷𝑡=√4∗𝐴𝑡∗1 / 𝜋=√4∗0,000054 ∗0,318 𝑚2=√0,000068 𝑚=0,0082 𝑚=820 𝑚𝑚 (4.25)

i) Calculul diametrului interior al mantalei schimbătorului

u – cuprins între 6 și 8 mm
𝐷𝑖=𝐷𝑡+𝑢=820 𝑚𝑚 +7 𝑚𝑚 =827 𝑚𝑚 (4.26)

j) Calculul suprafețelor de trecere ale purtătorilor de căldur ă

𝑆𝑡1−𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟
𝑆𝑡2−𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟

– 53 –

𝑆𝑡1=𝑛𝑡∗𝜋∗𝑑𝑖2
4=63∗3,14∗0,452
4=10,01 𝑚𝑚2=0,00001001 𝑚2 (4.27)

𝑆𝑡2=𝜋∗𝐷𝑖2
4−𝑛𝑡∗𝜋∗𝑑𝑒2
4=3,14∗8272
4−63∗3,14∗0,52
4=524 ,51 𝑚𝑚2=0,00052 𝑚2 (4.28)

k) Calculul vitezelor purtătorilor de căldură

w1 – agent termic primar
w2 – agent termic secundar
𝑤1=𝑚𝑎𝑝ă𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟
𝑆𝑡1∗𝜌∗1ℎ=855 ,73 𝑘𝑔
0,00001001 𝑚2∗1024 𝑘𝑔/𝑚3∗3600 𝑠=855 ,73
36,90=23,19 𝑚/𝑠 (4.29)

𝑤2=𝑚𝑎𝑝ă𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟
𝑆𝑡2∗𝜌∗1ℎ=582 ,13 𝑘𝑔
0,00052 𝑚2∗1024 𝑘𝑔/𝑚3∗3600 𝑠=582 ,13
1916 ,92=0,303 𝑚/𝑠 (4.30)

În urma calculelor efectuate, schimbătorul de căldură are o suprafață 𝑆=1,47 𝑚2, un număr
de 63 țevi cu diametrul interior 0,45 mm și diametrul exterior 0,5 mm. Cantitatea de căldură cedată
de motor este de 35 769 ,6 𝑘𝐽/ℎ iar cantitatea de căldură primită din circuitul secundar este de
36 499 ,59 kJ/h.

4.2.7 Exemple de sisteme de gazeificare

4.2.7.1 Power Pallet – PP30

Sistemul are o putere de 25 kW. Pentru a produce 1kW energie, consumă 1 kg biomasă.
Eficiența totală fiind de aproximativ 88%, dintre care 23% eficientă electrică și 65% energie termică
recuperabilă cu ajutorul schimbătoarelor de căldură. Durata de pornire a întregului sistem este
cuprins ă între 10 și 15 minute .

– 54 –

Fig. 4.3 Sistem Power Pallet – PP30
Sursă: http://www.allpowerlabs.com/wp -content/uploads/2019/12/PP30OffFront1500H -924×1024.jpg

4.2.7.2 Gazeificator de lemn Burkhardt V 4.50

Sistemul are o eficiență totală de 80%. Din aceasta, 25% este eficiență electrică și 55%
eficiență termică. Cu 1 kg pelete de lemn, se poate produce o putere electric ă de 1,25 kW și 2,75 kW
energie termică. Energia termică este recuperată din apa de răcir e a motorului dar și din gazele de
evacuare a acestuia.

– 55 –

În figura de mai jos este prezentat designul modular al întregului sistem, suprafața necesară
pentru amplasarea acestuia fiind de minim 48 mp.

Fig. 4. 4 Sistem cogenerare 50kW electric + 110kW term ic
Sursă: https://burkhardt -gruppe.de/de/energietechnik/kwk -mit-holzpellets/holzvergaser/holzvergaser -v-4-50/

– 56 –

Capitolul 5. Concluzii

Lucrarea are ca scop explicarea, proiectarea și înțelegerea unui sistem de cogenerare care
folosește un gazeificator ca și sursă de generare a combustibilului pentru un motor cu ardere internă,
care la rândul lui angrenează un generator pentru a produce en ergie electrică. Această tehnologie, deși
este utilizată în mică măsură, reprezintă un pas promițător pentru mediul înconjurător, având în vedere
că biomasa este considerată sursă de energie “verde ”.
Eficiența sistemului și prețul mai mic față de sistemele clasice în ceea ce privește costul
produceri energiei, atât electrice cât și termice, reprezintă un plus. Singurul dezavantaj major al acestor
sisteme fiind reprezentat de modul de amplasare, și anume, amplasarea lor trebuie să se facă la exterior
sau în spații bine ventilate deoarece există riscul scurgerilor de gaze, care pot duce la explozii.
Totodată, poate fi utilizat împreună cu alte sisteme de energie regenerabilă, cum ar fi sistemele
solare, eoliene sau geotermale.
În urma calculelor de proiectare, atât a gazeificatorului propriu -zis cât și a elementelor
auxiliare, a rezultat o cantitate de 36,23 kW/h energie electrică și 67,1 𝑘𝑊/ℎ energie termică.
Randamentul schimbătorului de căldură a fost impus ca fiind =98% , obținându -se astfel o energie
termică totală de 36 499 ,59 kJ/h .
Pe lângă schimbătorul de căldură care este conectat la circuitul de răcire al motorului, se
mai pot folosi încă două, unul destinat col ectării energiei termice care este degajată în atmosferă
prin intermediul sistemului de evacuare iar cel de -al doilea, montat pe circuitul de alimentare
cu gaz al motorului, răcind gazul și crescând astfel eficiența .
Astfel, se obține un sistem care are o eficiență în ceea ce privește energia electrică de
aproximativ 2 7% și aproximativ 50% pentru energia termică recuperată prin intermediul
schimbătoarelor de căldură. Diferența sunt pierderi care pot rezulta în urma schimbului de
căldură sau datorită frecări pistonului .

– 57 –

Capitolul 6. Bibliografie

6.1 Cărți

[1] Mohamed A. El -Sharkawi, Electric Energy:An Introduction , CRC Press Taylor & Francis Group,
Third Edition, 2013
[2] Thomas B. Reed and Agua Das, Handbook of Biomass Downdraft Gasifier Engine Systems ,
Biomass Energy Foundation, 1988
[3] David A. Bell & Brian F. Towler Maohong Fan Coal gasification and its applications, 2011
[4] Scott Bennett, Encyclopedia of Energy , Global Media Education Fr Everyone, First Edition, 2007
[5] U. Shrinivasa and Mukunda, Wood gas generators for small power (~5 hp) requirements , Sadhana,
Vol. 7, Part 2, July 1984
[6] FAO Forestry Department, Wood gas as engine fuel , FAO, 1986
[7] Vineet Singh Sikarwar, Ming Zhao, Peter Clough, Joseph Yao, Xia Zhong, Mohammed Zaki
Memon, Nilay Shan, Edward J. Anthony and Paul S. Fennell, Energy & Environmental Science , Royal
Society Of Chemistry, March 2016
[8] Rajvanshi A.K., Biomass Gasification . Ch. 4, Alternative Energy in Agriculture. Vol.
II, Ed. D. Yogi Goswami, 1986
[9] Van Der Heijden S., Szladow A. J., Barabas M., Sirianni G., Wood Gasification System
for Electricity Production. Proceedings 16th IECEC, 1981
[10] Darbi Roslee, Sulastri Sabudin, Nad hirah Aqilah Noor Ariffin, Fathin Nadhirah Jamari, Mohd
Faizal Mohideen Batchaless, Design and Development of Downdraft Gasifier to Generate Producer
Gas, International Journal of Integrated Engineering, 2018.
[11] Edmond Maican, Sisteme de energii regener abile , Ed.Printech, Bucure ști, 2015.

– 58 –

6.2 Surse electronice

[1]https://www.researchgate.net/publication/227216958_Wood_gas_generators_for_small_power_5
_hp_requirements
[2] http://www.fao.org/3/a -t0512e.pdf
[3] https://ro.wikipedia.org/wiki/C%C4%83rbune
[4] http://cazan.md/ro/content/10 -ce-inseamna -un-cazan -pe-lemne -cu-gazeificare
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Syngas#Alternative_technologies
[6] http://www.fao.org/3/t0512e/t0512e0a.htm
[7] http://www.fao.org/3/a -t0512e.pdf
[8] https://en .wikipedia.org/wiki/Electricity
[9] https://energyeducation.ca/encyclopedia/Electrical_energy
[10] https://www.slideshare.net/17101964/energia -electrica -16224791
[11] https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_energy_consumption
[12]https://energy -center.ro/piata -energiei -din-romania/cata -energie -electrica -poate -produce –
romania -in-2020 -la-modul -real/
[13] http://www.fao.org/3/a -t0512e.pdf
[14] https://ro.wikipedia.org/wiki/Dacia_1310
[15] https://www.academia.edu/8059306/Dimensionarea_unui_SCHIMBATOR_DE_CALDURA
[16] https://burkhardt -gruppe.de/de/energietechnik/kwk -mit-holzpellets/holzvergaser/holzvergaser –
v-4-50/
[17] http://www.allpowerlabs.com/wp -content/uploads/2019/08/P P30OneSheet8_10_19.pdf