*Keraamisten komponenttien ja komposiittien valmistusteknologian instituutti, Stuttgartin yliopisto
Johdanto
Uusiutuvista raaka-aineista on viime aikoina tullut tärkeä keskustelunaihe fossiilisten polttoaineiden rajallisen saatavuuden vuoksi. Kysymykset satotasosta, tarvittavasta viljelyalasta ja energiasisällöstä ovat etusijalla. Fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna uusiutuvien raaka-aineiden palamiskäyttäytymiseen vaikuttavat paljon enemmän sellaiset parametrit kuin ilmasto-olosuhteet, kasvinosien käsittely, kuivaus ja varastointi - sekä niihin liittyvä kosteuspitoisuus - ja siksi ne ovat alttiimpia suuremmille luonnollisille vaihteluille. Kuvassa 1 esitetään kooste raaka-aineista ja niistä, jotka voidaan luokitella biomassaksi ja energiakasveiksi.
Energialaitokset
Jos energiakasveja halutaan käyttää fossiilisten polttoaineiden vaihtoehtona, hankintakustannuksia on verrattava sadon tuottoon. Esimerkiksi 232 kiloa ohraa vastaa lämpöarvoltaan 100 litraa lämmitysöljyä [1] ja on syyskuun 2013 markkinahintojen perusteella 41 euroa edullisempi. Jos oletetaan, että Saksassa sijaitsevan omakotitalon lämmitykseen käytetään 3 000 litraa vuodessa, säästö olisi 1 200 euroa vuodessa. Koska maatalouskasveja, kuten erilaisia viljalajeja, ei tarvitse käyttää energiantuotantoon kuin silloin, kun ne ovat syömäkelvottomia tai heikkolaatuisia ja siten ihmisravinnoksi kelpaamattomia, vaihtoehtoisia energialähteitä tutkitaan parhaillaan intensiivisesti.
Raakaöljyn hinnannousun vuoksi puupelletit ja muut energialaitokset tarjoavat jo nyt kustannustehokkaan vaihtoehdon. Taulukossa 1 on vertailtu olkien, puupellettien ja lämmitysöljyn keskihintoja ja lämpöarvoja [2].
Taulukko 1: Eri energiamuotojen lämmitysarvot ja kustannukset
Hinta | Lämpöarvo | Kustannukset / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Lämmitysöljy | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Puupelletit | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Olki | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Kuten taulukosta käy ilmi, olkien alhaisempi lämpöarvo kompensoituu niiden huomattavasti alhaisemmilla hankintakustannuksilla, mikä tekee niistä lämmitysöljyä edullisempia. Näin ollen maatalousjätettä, kuten viljan tuotannossa syntyvää olkea, on syytä tarkastella tarkemmin vaihtoehtoisena energialähteenä muiden energiakasvien ohella, jotka kasvavat helposti lähes kaikilla maaperätyypeillä. Myös kiinanruoholla (miscanthus sinensis) ja miscanthus giganteuksella on verrattain korkea lämpöarvo ja alhainen Tuhka SisältöTuhka on mineraalioksidipitoisuuden mitta painon perusteella. Termogravimetrinen analyysi (TGA) hapettavassa ilmakehässä on hyväksi todettu menetelmä orgaanisten materiaalien, kuten polymeerien, kumien jne. epäorgaanisen jäännöksen, jota yleisesti kutsutaan tuhkaksi, määrittämiseksi. Näin ollen TGA-mittauksella Identify voidaan selvittää, onko materiaali täytetty, ja laskea täyteainepitoisuus.tuhkapitoisuus, ja siksi ne ovat kiinnostavia lisätutkimusten kannalta. Vaikka miscanthusta on viljeltävä erityisesti energiakäyttöä varten, rypsin olkea on saatavilla viljan tuotannon sivutuotteena. Peltopinta-alan rajoitukset on siis otettava huomioon punnittaessa näiden kahden energialähteen etuja.
Termogravimetria
Termogravimetriamenetelmä (TG) soveltuu erityisen hyvin palamisprosessien tutkimiseen. Sen avulla voidaan arvioida nopeasti pääasiassa kiinteiden polttoaineiden lämpöstabiilisuutta. Palavan aineen määrä (massahäviö) ja jäljelle jäävä Tuhka SisältöTuhka on mineraalioksidipitoisuuden mitta painon perusteella. Termogravimetrinen analyysi (TGA) hapettavassa ilmakehässä on hyväksi todettu menetelmä orgaanisten materiaalien, kuten polymeerien, kumien jne. epäorgaanisen jäännöksen, jota yleisesti kutsutaan tuhkaksi, määrittämiseksi. Näin ollen TGA-mittauksella Identify voidaan selvittää, onko materiaali täytetty, ja laskea täyteainepitoisuus.tuhkapitoisuus (jäännös) voidaan helposti määrittää määrällisesti. Palamislämpötilaa ja reaktionopeutta analysoimalla NETZSCH Thermokinetics -ohjelmiston avulla saadaan tärkeää kineettistä tietoa materiaalin palamiskäyttäytymisestä.
Sekä palamisreaktion aikana tapahtuva massahäviö että palamaton mineraalituhkapitoisuus voidaan myös määrittää määrällisesti. Toisin kuin muut reaktiot, kuten HajoamisreaktioHajoamisreaktio on kemiallisen yhdisteen lämpöreaktio, jossa muodostuu kiinteitä ja/tai kaasumaisia tuotteita. hajoaminen tai kosteuden tai liuottimien vapautuminen, palaminen on kiinteän aineen ja kaasun välinen reaktio. Sen vuoksi näytteen pinnan, puhdistuskaasun happipitoisuuden ja upokkaan geometrian kaltaiset parametrit ovat ratkaisevan tärkeitä.
Nämä tärkeät parametrit optimoitiin kokeissa, joissa käytettiin NETZSCH STA 409 C:tä energiakasvien polttamiseen.
Palamiskäyttäytyminen
Tässä sovellusohjeessa kuvataan tuloksia tutkimuksesta, joka koskee kasvipohjaisen oljen (miscanthus ja repesiemen) ja siitä valmistettujen pellettien palamiskäyttäytymistä. Tutkitut aineet on esitetty kuvissa 2 ja 3.
Materiaalien palamiskäyttäytymistä tutkittiin NETZSCH STA 409 C. Käytössä oli DTA-TGA-näytteenottolaite, jossa oli avoimet alumiinioksidia olevat upokkaat; puhdistuskaasuna käytettiin synteettistä ilmaa, jonka virtausnopeus oli 80 ml/min. Kun lämmitysnopeus oli 20 K/min, palamisreaktiot saatiin päätökseen 600 °C:n lämpötilaan mennessä (kuvat 4 ja 5).
DTA-menetelmällä saadaan tietoa tuotetun lämmön määrästä ja lämmönmuodostusnopeudesta eksotermisessä palamisreaktiossa. On huomattava, että pellettittömien näytteiden reaktiolämpö oli suurempi (suurempi DTA-signaali), vaikka massahäviöprofiili oli samanlainen. Irtomateriaalin suurempi pinta-ala edistää tehokkaampaa palamisprosessia. Lisäksi rypsin olkinäytteillä oli samanlainen palamiskäyttäytyminen kuin miscanthusnäytteillä. Jäännösmassa (Tuhka SisältöTuhka on mineraalioksidipitoisuuden mitta painon perusteella. Termogravimetrinen analyysi (TGA) hapettavassa ilmakehässä on hyväksi todettu menetelmä orgaanisten materiaalien, kuten polymeerien, kumien jne. epäorgaanisen jäännöksen, jota yleisesti kutsutaan tuhkaksi, määrittämiseksi. Näin ollen TGA-mittauksella Identify voidaan selvittää, onko materiaali täytetty, ja laskea täyteainepitoisuus.tuhkapitoisuus) vastaa energiakasvien inerttejä mineraalikomponentteja.
Huokoisuuden ja tiheyden määrittäminen
Näytteiden huokoisuus ja TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys määritettiin elohopeaporosimetrialla (Porotec Pascal 140/440). Tuloksista on yhteenveto taulukossa 1. Kuvissa 6 ja 7 esitetään näiden kahden materiaalin ja niiden jalostettujen tuotteiden (pelletit) väliset merkittävät erot huokoisuuden ja suhteellisen tai ominaistiheyden osalta. Rapsin olkinäytteelle on ominaista pienempi TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys ja huomattavasti suurempi huokostilavuus kuin miscanthusnäytteelle (taulukko 1). Tämä ilmeisesti suosii palamiskäyttäytymistä, sillä pelletöimättömän rypsin olkinäytteen palamisnopeus oli huomattavasti korkeampi huomattavasti alhaisemmassa lämpötilassa kuin rypsin olkipellettinäytteen (kuva 5).
Taulukko 2: Neljän biomassanäytteen analyysitietojen vertailu
| Ominaisuudet | Miscanthus | Miscanthus-pelletit | Rapsin olki | Rapsipelletit |
|---|---|---|---|---|
| Kokonaishuokoisuus [til-%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Huokostilavuus [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Näytteen ominaispinta-ala [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Huokosten keskimääräinen säde [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Tiheys1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Näennäistiheys2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Tiheys: Kiinteän verkoston TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys (mukaan lukien huokoset ja ontto tila)
2Näkyvä TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys: Materiaalin TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys, mukaan lukien suljetut huokoset ja huokoset, joihin ei pääse käsiksi
Kaasun havaitseminen ja kineettinen analyysi
Termogravimetrisen analyysin aikana muodostuneiden kaasujen FT-IR-luonnehdinta osoitti, että hajoamisnopeuden huipussa (515 °C:ssa) muodostuneet kaasut koostuivat pääasiassaCO2:sta. Reaktionopeuteen vaikuttavat reunaehdot voidaan välttää suurelta osin, jos käytetään tasopohjaista upokasta ja riittävän suurta kaasuvirtausnopeutta (tässä 160 ml/min happea). Tämä täyttää ratkaisevan tärkeän vaatimuksen, jotta saadut tiedot voidaan analysoida perusteellisesti kineettisesti. Miscanthus-pelletin näytteestä, joka on saatu lämmitysnopeuksilla 1-5 K/min, saatujen termogravimetristen tietojen termokineettinen analyysi tehtiin NETZSCH Thermokinetics -ohjelmiston avulla. Kaksi peräkkäistä n:nnen kertaluvun reaktiota sopivat parhaiten kokeellisiin tietoihin, kuten kuvassa 9 esitetään.
Päätelmä
Nämä termogravimetriset tutkimukset osoittivat, että näytteen valmistuksella ja mittausolosuhteilla on merkittävä vaikutus tuloksiin. Eri energialaitosten näytteiden välillä voidaan tehdä luotettavia vertailuja niiden palamiskäyttäytymisen osalta vain, jos mittaukset tehdään laitosnäytteillä, joiden pakkaustiheys ja -geometria on samanlainen ja joissa on samat puhdistuskaasuolosuhteet (eli happipitoisuus ja virtausnopeus).
Eri energialaitosten palamiskäyttäytymisen vertailevan tutkimuksen kannalta voitiin todeta, että mittausparametreilla, kuten näytteen geometrialla, näytemäärällä, huuhtelukaasun happipitoisuudella, huuhtelukaasun määrällä, mutta myös laitososien koolla tai näytteiden pakkaustiheydellä on ratkaiseva merkitys. Näiden ulkoisten vaikutusten minimoimiseksi kaikki STA 409 C:n mittausparametrit säädettiin siten, että näiden reunaehtojen mitattavissa olevat vaikutukset eivät voi vaikuttaa tuloksiin. Vain tällä tavoin on mahdollista toteuttaa vertaileva termogravimetrinen analyysi, mutta myös mittaustietojen kineettinen arviointi.
Vaikka miscanthus on houkutteleva energialähde suuren energiatiheytensä vuoksi, sen potentiaalista arvoa alentaa sen vaatima erikoisviljely. Rypsi taas on helposti saatavissa oleva viljantuotannon sivutuote, joka on myös hyvä energianlähde.