*Institut for fremstillingsteknologier for keramiske komponenter og kompositter, Stuttgart Universitet
Introduktion
Fornybare råmaterialer er for nylig blevet et stort diskussionsemne på grund af den begrænsede tilgængelighed af fossile brændstoffer. Spørgsmål om afgrødeudbytte, det nødvendige areal og energiindhold er i højsædet her. Sammenlignet med fossile brændstoffer er forbrændingsadfærden for vedvarende råmaterialer langt mere påvirket af parametre som klimatiske forhold, forarbejdning af plantedele, tørring og opbevaring - sammen med det tilhørende fugtindhold - og er derfor underlagt større naturlig variation. Figur 1 viser en samling af råmaterialer og dem, der kan klassificeres som biomasse og energianlæg.
Energianlæg
Hvis energianlæg skal bruges som alternativ til fossile brændstoffer, skal indkøbsomkostningerne sammenlignes med afgrødeudbyttet. For eksempel svarer 232 kg byg til 100 liter fyringsolie i varmeværdi [1] og er 41 euro billigere i omkostninger baseret på markedspriserne i september 2013. Hvis man antager et årligt forbrug på 3.000 liter til opvarmning af et parcelhus i Tyskland, vil besparelsen være 1.200 euro om året. Da landbrugsplanter, som f.eks. forskellige typer korn, kun skal bruges til energiproduktion, hvis de er uspiselige eller af ringe kvalitet og derfor uegnede til menneskeføde, undersøges alternative energianlæg intensivt.
I lyset af de stigende priser på råolie, træpiller og andet tilbyder energianlæg allerede et omkostningseffektivt alternativ. Gennemsnitspriser og varmeværdier for afgrødehalm, træpiller og fyringsolie sammenlignes i tabel 1 [2].
Tabel 1: Varmeværdier og omkostninger for forskellige energibærere
Pris | Varmeværdi | Omkostninger / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Fyringsolie | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Træpiller | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Afgrødehalm | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Som det fremgår af tabellen, opvejes den lavere varmeværdi for halm af de betydeligt lavere anskaffelsesomkostninger, hvilket gør det mere økonomisk end fyringsolie. Derfor fortjener landbrugsaffald som halm fra kornproduktion at blive set nærmere på som en alternativ energikilde sammen med andre energiplanter, der vokser let på næsten alle typer jord. Kinesisk sølvgræs (miscanthus sinensis) og miscanthus giganteus har også en forholdsvis høj brændværdi og et lavt Indhold af askeAsken er et mål for indholdet af mineralske oxider på vægtbasis. Termogravimetrisk analyse (TGA) i en oxidativ atmosfære er en velafprøvet metode til at bestemme den uorganiske rest, almindeligvis kaldet aske, i organiske materialer som polymerer, gummi osv. Derfor vil TGA-målingen Identify, hvis et materiale er fyldt og beregner det samlede fyldstofindhold. askeindhold og er derfor interessante for yderligere undersøgelser. Selv om miscanthus skal dyrkes specielt til energiformål, er rapshalm tilgængelig som biprodukt fra kornproduktion. Arealbegrænsninger skal derfor tages i betragtning, når man afvejer fordelene ved de to energikilder.
Termogravimetri
Metoden termogravimetri (TG) er særligt velegnet til undersøgelse af forbrændingsprocesser. Den muliggør en hurtig evaluering af den termiske stabilitet af primært faste brændsler. Mængden af brændbart materiale (massetab) og det resterende Indhold af askeAsken er et mål for indholdet af mineralske oxider på vægtbasis. Termogravimetrisk analyse (TGA) i en oxidativ atmosfære er en velafprøvet metode til at bestemme den uorganiske rest, almindeligvis kaldet aske, i organiske materialer som polymerer, gummi osv. Derfor vil TGA-målingen Identify, hvis et materiale er fyldt og beregner det samlede fyldstofindhold. askeindhold (restprodukt) kan nemt kvantificeres. Forbrændingstemperaturen og reaktionshastigheden, der analyseres ved hjælp af softwaren NETZSCH Thermokinetics , giver vigtige kinetiske oplysninger om materialets forbrændingsadfærd.
Både massetabet under forbrændingsreaktionen og indholdet af ikke-brændbar mineralsk aske kan også kvantificeres. I modsætning til andre reaktioner, som f.eks. NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning eller frigivelse af fugt eller opløsningsmidler, er forbrænding en faststof-gas-reaktion. Parametre som prøveoverflade, iltkoncentration i spulegassen og digelgeometri er derfor af afgørende betydning.
Disse vigtige parametre blev optimeret i eksperimenter med NETZSCH STA 409 C til forbrænding af energianlæg.
Forbrændingsadfærd
Dette notat beskriver resultaterne af en undersøgelse af forbrændingsadfærden for plantebaseret halm (miscanthus og repeseed) og pellets fremstillet heraf. De undersøgte stoffer er vist i figur 2 og 3.
Materialernes forbrændingsadfærd blev undersøgt med en NETZSCH STA 409 C. Der blev anvendt en DTA-TGA-prøveholder med åbne aluminiumoxiddigler; rensegassen var syntetisk luft med en strømningshastighed på 80 ml/min. Ved en opvarmningshastighed på 20 K/min var forbrændingsreaktionerne afsluttet ved 600 °C (figur 4 og 5).
DTA-metoden giver oplysninger om mængden af varme, der genereres, og hastigheden af varmeproduktionen for den eksoterme forbrændingsreaktion. Det skal bemærkes, at de ikke-pelleterede prøver viste en højere reaktionsvarme (større DTA-signal), selv om massetabsprofilen var den samme. Det løse materiales større overfladeareal fremmer en mere effektiv forbrændingsproces. Desuden udviste prøverne af rapshalm en forbrændingsadfærd, der lignede miscanthus-prøvernes. Restmassen (askeindholdet) svarer til de inerte mineralkomponenter i energianlæggene.
Bestemmelse af porøsitet og densitet
Ved hjælp af kviksølvporosimetri (Porotec Pascal 140/440) blev prøvernes porøsitet og densitet bestemt. Resultaterne er opsummeret i tabel 1. Figur 6 og 7 illustrerer de betydelige forskelle mellem de to materialer og deres forarbejdede produkter (pellets) med hensyn til porøsitet og deres relative eller specifikke massefylde. Rapshalmprøven er kendetegnet ved en lavere densitet og et betydeligt større porevolumen end miscanthusprøven (tabel 1). Dette favoriserer tydeligvis forbrændingsadfærden, da den ikke-pelleterede prøve af rapshalm viste en betydeligt højere forbrændingshastighed ved en betydeligt lavere temperatur end prøven af rapshalmpiller (figur 5).
Tabel 2: Sammenligning af de analytiske data for de fire biomasseprøver
| Egenskaber | Miscanthus | Miscanthus-piller | Rapshalm | Rapsfrø pellets |
|---|---|---|---|---|
| Samlet porøsitet [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Fordelt porevolumen [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Specifik prøveoverflade [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Gennemsnitlig poreradius [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Densitet1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Tilsyneladende densitet2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Densitet: TæthedMassefylden er defineret som forholdet mellem masse og volumen. Tæthed af det faste netværk (inklusive porer og interpartikulære hulrum)
2Apparent TæthedMassefylden er defineret som forholdet mellem masse og volumen. tæthed: Materialets massefylde inklusive lukkede og ikke-tilgængelige porer
Gasdetektion og kinetisk analyse
FT-IR-karakterisering af de udviklede gasser, der blev dannet i løbet af den termogravimetriske analyse, afslørede, at de gasser, der blev genereret ved toppen af nedbrydningshastigheden (ved 515 °C), hovedsageligt bestod afCO2. Grænsebetingelsernes indflydelse på reaktionshastigheden kan i høj grad undgås, hvis der anvendes en digel med en plan bund og en tilstrækkelig høj gasstrømningshastighed (her 160 ml/min ilt). Dette opfylder et afgørende krav for at underkaste de opnåede data en dybdegående kinetisk analyse. Termokinetisk analyse af de termogravimetriske data fra miscanthus-pilleprøven opnået ved opvarmningshastigheder mellem 1 og 5 K/min. blev udført ved hjælp af NETZSCH Thermokinetics software To på hinanden følgende n 'te ordens reaktioner viste sig at give den bedste tilpasning til de eksperimentelle data, som vist i figur 9.
Konklusion
Disse termogravimetriske undersøgelser viste, at prøveforberedelse og målebetingelser har en betydelig indflydelse på resultaterne. Pålidelige sammenligninger mellem forskellige energianlægsprøver med hensyn til deres forbrændingsadfærd kan kun foretages, når målinger udføres på anlægsprøver med lignende pakningstæthed og geometri og under de samme rensegasforhold (dvs. iltkoncentration og strømningshastighed).
Til sammenlignende undersøgelser af forskellige energianlægs forbrændingsadfærd kan det fastslås, at måleparametre som prøvegeometri, prøvemængde, iltkoncentration i spulegassen, spulegasmængde, men også størrelsen på anlægsdelene eller prøvernes pakketæthed er af afgørende betydning. For at minimere disse ydre påvirkninger blev alle måleparametre for STA 409 C justeret således, at ingen målbare påvirkninger af disse grænsebetingelser kan påvirke resultaterne. Kun på denne måde er det muligt at gennemføre en sammenlignende termogravimetrisk analyse, men også en kinetisk evaluering af måledataene.
Selvom miscanthus er attraktiv som energikilde på grund af sin høje energitæthed, sænker behovet for særlig dyrkning af denne afgrøde dens potentielle værdi. På den anden side er raps et let tilgængeligt biprodukt fra kornproduktion og også en god energikilde.