*Kerámia alkatrészek és kompozitok gyártástechnológiáinak intézete, Stuttgarti Egyetem
Bevezetés
A megújuló nyersanyagok a közelmúltban a fosszilis tüzelőanyagok korlátozott elérhetősége miatt a viták egyik fő témájává váltak. A terméshozamokkal, a szükséges terület nagyságával és az energiatartalommal kapcsolatos kérdések állnak itt az előtérben. A fosszilis tüzelőanyagokhoz képest a megújuló nyersanyagok égési viselkedését sokkal jobban befolyásolják az olyan paraméterek, mint az éghajlati viszonyok, a növényi részek feldolgozása, szárítása és tárolása - a kapcsolódó nedvességtartalommal együtt -, és ezért nagyobb természetes ingadozásoknak vannak kitéve. Az 1. ábra a nyersanyagok és a biomassza és energianövények közé sorolható nyersanyagok összeállítását mutatja.
Energetikai üzemek
Ha az energianövényeket a fosszilis tüzelőanyagok alternatívájaként akarjuk használni, a beszerzési költségeket össze kell vetni a terméshozamokkal. Például 232 kg árpa fűtőértékben 100 liter fűtőolajnak felel meg [1], és a 2013. szeptemberi piaci árak alapján 41 euróval olcsóbb. Egy németországi családi ház fűtésére évi 3000 literes fogyasztást feltételezve a megtakarítás évi 1200 euró lenne. Mivel a mezőgazdasági növényeket, mint például a különböző gabonafajtákat, csak akkor kell energiatermelésre felhasználni, ha azok ehetetlenek vagy gyenge minőségűek, és ezért emberi fogyasztásra alkalmatlanok, ezért intenzíven vizsgálják az alternatív energianövényeket.
A nyersolaj, a fapellet és más energiahordozók emelkedő árai miatt az energiaerőművek már most költséghatékony alternatívát kínálnak. A növényi szalma, a fapellet és a fűtőolaj átlagos árait és fűtőértékeit az 1. táblázatban hasonlítjuk össze [2].
Táblázat: A különböző energiahordozók fűtési értékei és költségei
Ár | Fűtési érték | Költség / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Fűtőolaj | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Fapellet | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Szalma | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Amint a táblázatból látható, a növényi szalma alacsonyabb fűtőértékét ellensúlyozza a szalma lényegesen alacsonyabb beszerzési költsége, ami gazdaságosabbá teszi a fűtőolajnál. Ezért a mezőgazdasági hulladék, például a gabonatermesztésből származó szalma, alternatív energiaforrásként más, szinte minden talajtípuson könnyen termő energianövényekkel együtt közelebbi vizsgálatot érdemel. A kínai ezüstfű (miscanthus sinensis) és a miscanthus giganteus szintén viszonylag magas fűtőértékkel és alacsony hamutartalommal rendelkezik, ezért további vizsgálatokra érdemes. Bár a mizantuszfát kifejezetten energiafelhasználás céljából kell termeszteni, a repce szalma a gabonatermesztés melléktermékeként rendelkezésre áll. A két energiaforrás előnyeinek mérlegelésekor ezért figyelembe kell venni a terület korlátait.
Termogravimetria
A termogravimetria (TG) módszere különösen alkalmas az égési folyamatok vizsgálatára. Lehetővé teszi a főként szilárd tüzelőanyagok HőstabilitásEgy anyag hőstabil, ha a hőmérséklet hatására nem bomlik el. Egy anyag hőstabilitásának meghatározására a TGA (termogravimetriás analizátor) egyik módja. hőstabilitásának gyors értékelését. Az éghető anyag mennyisége (tömegveszteség) és a maradék Hamu tartalomA hamu az ásványi oxidtartalom mérőszáma, súly alapján. A termogravimetriás analízis (TGA) oxidatív atmoszférában jól bevált módszer a szerves anyagokban, például polimerekben, gumikban stb. található szervetlen maradékok, az úgynevezett hamu meghatározására. Ezért a TGA-mérés azonosítja, hogy egy anyag töltőanyaggal van-e töltve, és kiszámítja a teljes töltőanyag-tartalmat. hamutartalom (maradék) könnyen számszerűsíthető. A NETZSCH Thermokinetics szoftver segítségével elemzett égési hőmérséklet és reakciósebesség fontos kinetikai információkat szolgáltat az anyag égési viselkedéséről.
Az égési reakció során fellépő tömegveszteség és a nem éghető ásványi Hamu tartalomA hamu az ásványi oxidtartalom mérőszáma, súly alapján. A termogravimetriás analízis (TGA) oxidatív atmoszférában jól bevált módszer a szerves anyagokban, például polimerekben, gumikban stb. található szervetlen maradékok, az úgynevezett hamu meghatározására. Ezért a TGA-mérés azonosítja, hogy egy anyag töltőanyaggal van-e töltve, és kiszámítja a teljes töltőanyag-tartalmat. hamutartalom is számszerűsíthető. Más reakciókkal ellentétben, mint például a Bomlási reakcióA bomlási reakció egy kémiai vegyület szilárd és/vagy gáznemű termékeket képező, hő hatására lejátszódó reakciója. bomlás vagy a nedvesség vagy oldószerek felszabadulása, az égés szilárdgáz-reakció. Az olyan paraméterek, mint a minta felülete, az öblítőgáz oxigénkoncentrációja és a tégely geometriája ezért döntő fontosságúak.
Ezeket a fontos paramétereket optimalizáltuk a NETZSCH STA 409 C energiaültetvények égetésére szolgáló kísérletek során.
Égési viselkedés
Ez az alkalmazási közlemény a növényi alapú szalma (miskantusz és repcemag) és a belőle készült pellet égési viselkedésének vizsgálatának eredményeit ismerteti. A vizsgált anyagokat a 2. és 3. ábra mutatja be.
Az anyagok égési viselkedését a NETZSCH STA 409 C-on vizsgáltuk. DTA-TGA mintatartót használtunk nyitott alumínium-oxid tégelyekkel; az öblítőgáz szintetikus levegő volt 80 ml/perc áramlási sebességgel. A 20 K/perc fűtési sebesség alkalmazásával az égési reakciók 600 °C-ra befejeződtek (4. és 5. ábra).
A DTA-módszer információt szolgáltat az ExotermikusEgy mintaátalakulás vagy reakció exoterm, ha hő keletkezik.exotermikus égési reakció során keletkező hő mennyiségéről és a hőtermelés sebességéről. Meg kell jegyezni, hogy a nem pelletizált minták nagyobb reakcióhőt mutattak (nagyobb DTA-jel), annak ellenére, hogy a tömegveszteség profilja hasonló volt. A laza anyag nagyobb felülete elősegíti a hatékonyabb égési folyamatot. Továbbá a repce szalmaminták a miskantuszmintákhoz hasonló égési viselkedést mutattak. A maradék tömeg (Hamu tartalomA hamu az ásványi oxidtartalom mérőszáma, súly alapján. A termogravimetriás analízis (TGA) oxidatív atmoszférában jól bevált módszer a szerves anyagokban, például polimerekben, gumikban stb. található szervetlen maradékok, az úgynevezett hamu meghatározására. Ezért a TGA-mérés azonosítja, hogy egy anyag töltőanyaggal van-e töltve, és kiszámítja a teljes töltőanyag-tartalmat. hamutartalom) az energianövények inert ásványi összetevőinek felel meg.
A porozitás és a sűrűség meghatározása
Higanyos porozimetriával (Porotec Pascal 140/440) meghatározták a minták porozitását és SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségét. Az eredményeket az 1. táblázat foglalja össze. A 6. és 7. ábra szemlélteti a két anyag és a feldolgozott termékek (pellet) közötti jelentős különbségeket a porozitás és a relatív vagy fajlagos SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség tekintetében. A repce szalmamintát alacsonyabb SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség és lényegesen nagyobb pórustérfogat jellemzi, mint a miskantuszmintát (1. táblázat). Ez nyilvánvalóan kedvez az égési viselkedésnek, mivel a nem pelletált repce szalmaminta lényegesen magasabb égési sebességet mutatott lényegesen alacsonyabb hőmérsékleten, mint a repce szalma pelletminta (5. ábra).
Táblázat: A négy biomasszaminta analitikai adatainak összehasonlítása
| Tulajdonságok | Miscanthus | Miscanthus pellet | Répaszalma | Repce pellet |
|---|---|---|---|---|
| Teljes porozitás [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Pórustérfogat [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Fajlagos mintafelület [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Átlagos pórussugár [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Sűrűség1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Látszólagos sűrűség2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Sűrűség: A szilárd hálózat sűrűsége (beleértve a pórusokat és az interpartikuláris üreges teret)
2Nyilvánvaló SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség: Az anyag sűrűsége, beleértve a zárt és nem hozzáférhető pórusokat is
Gázérzékelés és kinetikai elemzés
A termogravimetriás elemzés során keletkezett gázok FT-IR jellemzése kimutatta, hogy a bomlási sebesség csúcspontján (515°C-on) keletkező gázok főkéntCO2-ból álltak. A reakciósebességet befolyásoló peremfeltételek nagymértékben elkerülhetők, ha sík alappal rendelkező tégelyt és kellően nagy gázáramlási sebességet (itt 160 ml/perc oxigén) alkalmazunk. Ezzel teljesül az egyik alapvető követelmény, hogy a kapott adatokat mélyreható kinetikai elemzésnek vessük alá. Az 1 és 5 K/perc közötti fűtési sebességgel kapott miscanthus pelletmintából származó termogravimetriás adatok termokinetikai elemzését a NETZSCH Thermokinetics szoftver segítségével végeztük el Két egymást követő n-edik rendű reakciót találtunk a kísérleti adatokhoz legjobban illeszkedőnek, amint az a 9. ábrán látható.
Következtetés
Ezek a termogravimetriás vizsgálatok azt mutatták, hogy a minta előkészítése és a mérési körülmények jelentősen befolyásolják az eredményeket. Megbízható összehasonlításokat csak akkor lehet végezni a különböző erőművi minták égési viselkedése között, ha a méréseket hasonló tömörségi SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűségű és geometriájú erőművi mintákon és azonos tisztítógáz-körülmények között (azaz oxigénkoncentráció és áramlási sebesség) végzik.
A különböző energianövények égési viselkedésének összehasonlító vizsgálata során megállapítható, hogy a mérési paraméterek, mint például a minta geometriája, a minta mennyisége, a tisztítógáz oxigénkoncentrációja, a tisztítógáz mennyisége, de a növényi részek mérete vagy a minták csomagolási sűrűsége is meghatározó jelentőségű. E külső hatások minimalizálása érdekében az STA 409 C minden mérési paraméterét úgy állították be, hogy e peremfeltételek mérhető hatása ne befolyásolja az eredményeket. Csak így lehetséges az összehasonlító termogravimetriás elemzés, de a mérési adatok kinetikai kiértékelése is.
Bár a mizantusz nagy energiasűrűsége miatt vonzó energiaforrásként, a növény különleges termesztési igénye csökkenti potenciális értékét. A repce viszont a gabonatermesztés könnyen kinyerhető mellékterméke, és szintén jó energiaforrás.