*Ústav pro výrobní technologie keramických komponentů a kompozitů, Univerzita Stuttgart
Úvod
Obnovitelné suroviny se v poslední době staly hlavním tématem diskusí kvůli omezené dostupnosti fosilních paliv. Do popředí se zde dostávají otázky týkající se výnosů plodin, množství potřebných ploch a energetického obsahu. Ve srovnání s fosilními palivy je chování obnovitelných surovin při spalování mnohem více ovlivněno parametry, jako jsou klimatické podmínky, zpracování, sušení a skladování částí rostlin - spolu se souvisejícím obsahem vlhkosti - a podléhá proto větším přirozeným výkyvům. Na obrázku 1 je znázorněna kompilace surovin a těch, které lze zařadit mezi biomasu a energetické rostliny.
Energetické závody
Pokud mají být energetické rostliny využívány jako alternativa k fosilním palivům, je třeba porovnat náklady na jejich pořízení s výnosy plodin. Například 232 kg ječmene odpovídá výhřevnosti 100 litrů topného oleje [1] a podle tržních cen ze září 2013 je o 41 eur levnější. Za předpokladu roční spotřeby 3 000 litrů na vytápění rodinného domu v Německu by úspora činila 1 200 eur ročně. Vzhledem k tomu, že zemědělské rostliny, stejně jako různé druhy obilí, je třeba využívat k výrobě energie pouze v případě, že jsou nepoživatelné nebo méně kvalitní, a tudíž nevhodné pro lidskou spotřebu, intenzivně se zkoumají alternativní energetické rostliny.
Vzhledem k rostoucím cenám ropy jsou dřevěné pelety a další energetické zařízení nákladově efektivní alternativou. Průměrné ceny a výhřevnost rostlinné slámy, dřevěných pelet a topného oleje jsou porovnány v tabulce 1 [2].
Tabulka 1: Topné hodnoty a náklady různých nosičů energie
Cena | Výhřevnost | Náklady / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Topný olej | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Dřevěné pelety | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Sláma z plodin | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Jak je patrné z tabulky, nižší výhřevnost obilné slámy je kompenzována jejími výrazně nižšími pořizovacími náklady, takže je ekonomičtější než topný olej. Proto si zemědělský odpad, jako je sláma z produkce obilovin, zaslouží bližší pohled jako alternativní zdroj energie spolu s dalšími energetickými rostlinami, které snadno rostou téměř na všech typech půdy. Čínská stříbřitá tráva (miscanthus sinensis) a miscanthus giganteus rovněž vykazují poměrně vysokou výhřevnost a nízký Obsah popelaPopel je měřítkem obsahu minerálních oxidů na hmotnostní bázi. Termogravimetrická analýza (TGA) v oxidační atmosféře je osvědčenou metodou stanovení anorganického zbytku, běžně označovaného jako popel, v organických materiálech, jako jsou polymery, kaučuky atd. Měření TGA proto Identify, zda je materiál plněn, a vypočítá celkový obsah plniva.obsah popela, a proto jsou předmětem dalšího zkoumání. Ačkoli miscanthus musí být pro energetické využití speciálně pěstován, řepková sláma je k dispozici jako vedlejší produkt při výrobě obilí. Při zvažování výhod obou zdrojů energie je proto třeba brát v úvahu omezení výměry.
Termogravimetrie
Metoda termogravimetrie (TG) je zvláště vhodná pro zkoumání spalovacích procesů. Umožňuje rychlé vyhodnocení tepelné stability především pevných paliv. Snadno lze kvantifikovat množství hořlaviny (hmotnostní úbytek) a obsah zbývajícího popela (zbytek). Teplota hoření a rychlost reakce analyzované pomocí softwaru NETZSCH Thermokinetics poskytují důležité kinetické informace o chování materiálu při hoření.
Lze také kvantifikovat jak hmotnostní ztráty během spalovací reakce, tak obsah nehořlavého minerálního popela. Na rozdíl od jiných reakcí, jako je Rozkladná reakceRozkladná reakce je tepelně indukovaná reakce chemické sloučeniny za vzniku pevných a/nebo plynných produktů. rozklad nebo uvolňování vlhkosti či rozpouštědel, je hoření reakcí pevného skupenství s plynem. Parametry, jako je povrch vzorku, koncentrace kyslíku v proplachovacím plynu a geometrie kelímku, jsou proto zásadně důležité.
Tyto důležité parametry byly optimalizovány při experimentech s použitím zařízení NETZSCH STA 409 C pro spalování energetických zařízení.
Chování při spalování
Tato aplikační poznámka popisuje výsledky zkoumání chování rostlinné slámy (miscanthus a repeseed) a z ní vyrobených pelet při spalování. Zkoumané látky jsou znázorněny na obrázcích 2 a 3.
Chování materiálů při hoření bylo zkoumáno na přístroji NETZSCH STA 409 C. Byl použit držák vzorků DTA-TGA s otevřenými kelímky z oxidu hlinitého; proplachovacím plynem byl syntetický vzduch s průtokem 80 ml/min. Při použití rychlosti ohřevu 20 K/min byly spalovací reakce ukončeny při 600 °C (obr. 4 a 5).
Metoda DTA poskytuje informace o množství vzniklého tepla a rychlosti vzniku tepla při exotermické spalovací reakci. Je třeba poznamenat, že nepeletované vzorky vykazovaly vyšší reakční teplo (větší signál DTA), i když profil hmotnostních ztrát byl podobný. Větší povrch sypkého materiálu podporuje účinnější proces spalování. Vzorky řepkové slámy navíc vykazovaly podobné chování při spalování jako vzorky miscanthu. Zbytková hmotnost (Obsah popelaPopel je měřítkem obsahu minerálních oxidů na hmotnostní bázi. Termogravimetrická analýza (TGA) v oxidační atmosféře je osvědčenou metodou stanovení anorganického zbytku, běžně označovaného jako popel, v organických materiálech, jako jsou polymery, kaučuky atd. Měření TGA proto Identify, zda je materiál plněn, a vypočítá celkový obsah plniva.obsah popela) odpovídá inertním minerálním složkám energetických rostlin.
Stanovení pórovitosti a hustoty
Pomocí rtuťové porozimetrie (Porotec Pascal 140/440) byla stanovena pórovitost a HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota vzorků. Výsledky jsou shrnuty v tabulce 1. Obrázky 6 a 7 ilustrují významné rozdíly mezi oběma materiály a jejich zpracovanými produkty (peletami), pokud jde o pórovitost a jejich relativní nebo specifickou hustotu. Vzorek řepkové slámy se vyznačuje nižší hustotou a výrazně větším objemem pórů než vzorek miscanthu (tabulka 1). To zjevně zvýhodňuje chování při spalování, neboť vzorek nepelletizované řepkové slámy vykazoval výrazně vyšší rychlost spalování při podstatně nižší teplotě než vzorek pelet z řepkové slámy (obr. 5).
Tabulka 2: Srovnání analytických údajů čtyř vzorků biomasy
| Vlastnosti | Miscanthus | Miskantové pelety | Řepková sláma | Řepkové pelety |
|---|---|---|---|---|
| Celková pórovitost [obj. %] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Objem komulovaných pórů [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Specifický povrch vzorku [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Průměrný poloměr pórů [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Hustota1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Zdánlivá hustota2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Hustota: HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. Hustota pevné sítě (včetně pórů a mezipartikulárního dutého prostoru)
2Zjevná HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota: HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. Hustota materiálu včetně uzavřených a nepřístupných pórů
Detekce plynů a kinetická analýza
FT-IR charakterizace vyvíjených plynů vznikajících v průběhu termogravimetrické analýzy ukázala, že plyny vznikající při vrcholu rychlosti rozkladu (při 515 °C) se skládají převážně zCO2. Vlivu mezních podmínek na reakční rychlost lze do značné míry zabránit, pokud se použije kelímek s rovinnou základnou a dostatečně vysoký průtok plynu (zde 160 ml/min kyslíku). Tím je splněn zásadní požadavek pro podrobení získaných dat hloubkové kinetické analýze. Termokinetická analýza termogravimetrických dat ze vzorku miscanthusových pelet získaných při rychlostech ohřevu mezi 1 a 5 K/min. byla provedena pomocí softwaru NETZSCH Thermokinetics . Bylo zjištěno, že experimentálním datům nejlépe odpovídají dvě po sobě jdoucí reakce n-tého řádu, jak je znázorněno na obr. 9.
Závěr
Tato termogravimetrická šetření ukázala, že příprava vzorku a podmínky měření mají podstatný vliv na výsledky. Spolehlivé srovnání různých vzorků energetických zařízení, pokud jde o jejich chování při spalování, lze provést pouze tehdy, pokud jsou měření prováděna na vzorcích zařízení s podobnou hustotou a geometrií plniva a za stejných podmínek proplachování plynem (tj. koncentrace a průtok kyslíku).
Pro srovnávací zkoumání chování různých energetických zařízení při spalování lze určit, že rozhodující význam mají parametry měření, jako je geometrie vzorku, množství vzorku, koncentrace kyslíku v proplachovacím plynu, množství proplachovacího plynu, ale také velikost částí zařízení nebo HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota balení vzorků. Za účelem minimalizace těchto vnějších vlivů byly všechny parametry měření přístroje STA 409 C upraveny tak, aby výsledky nemohly být ovlivněny měřitelnými vlivy těchto okrajových podmínek. Jen tak je možné realizovat nejen srovnávací termogravimetrickou analýzu, ale také kinetické vyhodnocení naměřených dat.
Ačkoli je miscanthus atraktivní jako zdroj energie díky své vysoké energetické hustotě, potřeba speciálního pěstování této plodiny snižuje její potenciální hodnotu. Na druhé straně je řepka snadno získatelným vedlejším produktem produkce obilovin a také dobrým zdrojem energie.