*Институт за производствени технологии на керамични компоненти и композити, Университет Щутгарт
Въведение
Възобновяемите суровини напоследък са основна тема за обсъждане поради ограничената наличност на изкопаеми горива. Тук на преден план излизат въпросите за добивите от културите, размера на необходимите площи и енергийното съдържание. В сравнение с изкопаемите горива поведението на възобновяемите суровини при горене се влияе в много по-голяма степен от параметри като климатичните условия, обработката на растителните части, сушенето и съхранението - заедно със свързаното с тях съдържание на влага - и поради това е обект на по-големи естествени вариации. На фигура 1 е показана компилация от суровини и такива, които могат да бъдат класифицирани като биомаса и енергийни растения.
Енергийни инсталации
Ако енергийните растения трябва да се използват като алтернатива на изкопаемите горива, разходите за снабдяване трябва да се сравнят с добивите от културите. Например 232 kg ечемик е еквивалентен на 100 литра мазут по топлинна стойност [1] и е с 41 евро по-евтин по цена на базата на пазарните цени от септември 2013 г. Ако приемем, че годишното потребление е 3000 литра за отопление на еднофамилна къща в Германия, спестяванията ще бъдат 1200 евро годишно. Тъй като селскостопанските растения, като например различни видове зърнени култури, трябва да се използват за производство на енергия само ако са негодни за консумация или с ниско качество и поради това са негодни за консумация от човека, интензивно се проучват алтернативни енергийни инсталации.
С оглед на нарастващите цени на суровия петрол, дървесните пелети и други енергийни инсталации вече предлагат рентабилна алтернатива. В таблица 1 са сравнени средните цени и топлинните стойности на сламата от земеделски култури, дървесните пелети и мазута [2].
Таблица 1: Отоплителни стойности и разходи за различните енергоносители
Цена | Отоплителна стойност | Цена / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Масло за отопление | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Дървесни пелети | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Растителна слама | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Както се вижда от таблицата, по-ниската топлинна стойност на сламата се компенсира от значително по-ниските разходи за нейното придобиване, което я прави по-икономична от мазута. Следователно селскостопанските отпадъци, като например сламата от производството на зърнени култури, заслужават по-внимателно разглеждане като алтернативен източник на енергия заедно с други енергийни растения, които растат лесно на почти всички видове почви. Китайската сребриста трева (Miscanthus sinensis) и Miscanthus giganteus също се отличават със сравнително висока калоричност и ниско съдържание на пепел и поради това представляват интерес за по-нататъшно проучване. Въпреки че мискантусът трябва да се отглежда специално за енергийна употреба, сламата от рапица е налична като страничен продукт от производството на зърно. Поради това при преценката на ползите от двата енергийни източника трябва да се вземат предвид ограниченията на площите.
Термогравиметрия
Методът на термогравиметрията (TG) е особено подходящ за изследване на горивни процеси. Той дава възможност за бърза оценка на термичната стабилност предимно на твърди горива. Количеството на горимите материали (загуба на маса) и съдържанието на остатъчна пепел (остатък) се определят лесно количествено. Температурата на горене и скоростта на реакцията, анализирани с помощта на софтуера NETZSCH Thermokinetics , дават важна кинетична информация за поведението на материала при горене.
Масовите загуби по време на реакцията на горене и съдържанието на незапалима минерална пепел също могат да се определят количествено. За разлика от други реакции, като например разлагане или отделяне на влага или разтворители, горенето е реакция на твърдо вещество и газ. Поради това параметри като повърхността на пробата, концентрацията на кислород в продухващия газ и геометрията на тигела са от решаващо значение.
Тези важни параметри бяха оптимизирани при експерименти с използване на NETZSCH STA 409 C за изгаряне на енергийни инсталации.
Поведение при горене
Тази бележка за приложение описва резултатите от изследване на поведението при горене на слама на растителна основа (мискантус и репей) и пелети, произведени от нея. Изследваните вещества са представени на фигури 2 и 3.
Поведението на материалите по време на горене беше изследвано с NETZSCH STA 409 C. Използван беше DTA-TGA държач за проби с отворени тигли от алуминиев оксид; промивният газ беше синтетичен въздух с дебит 80 ml/min. При използване на скорост на нагряване от 20 K/min реакциите на горене завършиха до 600 °C (фигури 4 и 5).
Методът DTA дава информация за количеството генерирана топлина и скоростта на генериране на топлина за екзотермичната реакция на горене. Трябва да се отбележи, че непелетизираните проби показват по-висока топлина на реакцията (по-голям DTA сигнал), въпреки че профилът на загубата на маса е сходен. По-голямата повърхност на насипния материал спомага за по-ефективен процес на горене. Освен това пробите от рапична слама показват поведение на горене, подобно на това на пробите от мискантус. Остатъчната маса (съдържание на пепел) съответства на инертните минерални компоненти на енергийните инсталации.
Определяне на порьозност и плътност
С помощта на живачна порозиметрия (Porotec Pascal 140/440) бяха определени порьозността и плътността на пробите. Резултатите са обобщени в таблица 1. Фигури 6 и 7 илюстрират значителните разлики между двата материала и техните преработени продукти (пелети) по отношение на порьозността и относителната или специфичната им плътност. Пробата от рапична слама се характеризира с по-ниска плътност и значително по-голям обем на порите, отколкото пробата от мискантус (таблица 1). Това очевидно благоприятства поведението при горене, тъй като непелетизираната проба от рапична слама показва значително по-висока скорост на горене при значително по-ниска температура, отколкото пробата от пелети от рапична слама (фигура 5).
Таблица 2: Сравнение на аналитичните данни на четирите проби от биомаса
| Свойства | Miscanthus | Пелети от мискантус | Рапична слама | Пелети от рапица |
|---|---|---|---|---|
| Обща порьозност [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Комбиниран обем на порите [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Специфична повърхност на пробата [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Среден радиус на порите [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Плътност1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Видима плътност2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Плътност: Плътност на твърдата мрежа (включително порите и междучастичните кухи пространства)
2Видима плътност: Плътност на материала, включително затворените и недостъпните пори
Откриване на газове и кинетичен анализ
FT-IR характеристиката на отделените газове, образувани в хода на термогравиметричния анализ, показа, че газовете, образувани при пика на скоростта на разлагане (при 515°C), се състоят основно отCO2. Влиянието на граничните условия върху скоростта на реакцията може да бъде избегнато до голяма степен, ако се използва тигел с плоска основа и достатъчно висок дебит на газа (тук 160 ml/min кислород). Това отговаря на важно изискване за подлагане на получените данни на задълбочен кинетичен анализ. Термокинетичният анализ на термогравиметричните данни от пробата от пелети от мискантус, получени при скорости на нагряване между 1 и 5 K/min, е извършен с помощта на софтуера NETZSCH Thermokinetics . Установено е, че две последователни реакции от n-ти ред най-добре съответстват на експерименталните данни, както е показано на фигура 9.
Заключение
Тези термогравиметрични изследвания показаха, че подготовката на пробите и условията на измерване оказват съществено влияние върху резултатите. Надеждни сравнения между различни образци от енергийни централи по отношение на поведението им при горене могат да се направят само когато измерванията се извършват върху образци от централи с подобна плътност и геометрия на опаковката и при едни и същи условия на промивния газ (т.е. концентрация на кислорода и дебит).
За сравнителното изследване на поведението на различните енергийни инсталации при горене може да се определи, че измервателните параметри като геометрията на пробата, количеството на пробата, концентрацията на кислород в продухващия газ, количеството на продухващия газ, но също и размерът на частите на инсталацията или плътността на опаковката на пробите са от решаващо значение. За да се сведат до минимум тези външни влияния, всички измервателни параметри на STA 409 C бяха регулирани така, че никакви измерими влияния на тези гранични условия да не могат да повлияят на резултатите. Само по този начин е възможно да се осъществи не само сравнителен термогравиметричен анализ, но и кинетична оценка на данните от измерванията.
Въпреки че мискантусът е привлекателен като енергиен източник поради високата си енергийна плътност, необходимостта от специално отглеждане на тази култура намалява потенциалната ѝ стойност. От друга страна, рапицата е лесно достъпен страничен продукт от производството на зърнени култури и също е добър източник на енергия.