*Institut Teknologi Manufaktur Komponen Keramik dan Komposit, Universitas Stuttgart
Pendahuluan
Bahan baku terbarukan baru-baru ini menjadi topik utama diskusi karena terbatasnya ketersediaan bahan bakar fosil. Pertanyaan tentang hasil panen, jumlah lahan yang dibutuhkan, dan kandungan energi menjadi topik utama di sini. Dibandingkan dengan bahan bakar fosil, perilaku pembakaran bahan baku terbarukan jauh lebih dipengaruhi oleh parameter seperti kondisi iklim, pemrosesan bagian tanaman, pengeringan dan penyimpanan - bersama dengan kadar air yang terkait - dan oleh karena itu tunduk pada variasi alami yang lebih besar. Gambar 1 menunjukkan kompilasi bahan baku dan yang dapat diklasifikasikan sebagai biomassa dan pembangkit energi.
Pembangkit Energi
Jika tanaman energi akan digunakan sebagai alternatif bahan bakar fosil, biaya pengadaan harus dibandingkan dengan hasil panen. Sebagai contoh, 232 kg jelai setara dengan 100 liter minyak pemanas dalam hal nilai kalor [1] dan lebih murah 41 Euro berdasarkan harga pasar pada bulan September 2013. Dengan asumsi konsumsi tahunan sebesar 3.000 liter untuk memanaskan sebuah rumah terpisah di Jerman, penghematannya adalah 1.200 Euro per tahun. Karena tanaman pertanian, seperti berbagai jenis biji-bijian, hanya perlu digunakan untuk produksi energi jika tidak dapat dimakan atau kualitasnya rendah sehingga tidak layak untuk dikonsumsi manusia, maka pembangkit energi alternatif sedang diteliti secara intensif.
Mengingat kenaikan harga minyak mentah, pelet kayu dan lainnya, pembangkit listrik tenaga energi sudah menawarkan alternatif yang hemat biaya. Harga rata-rata dan nilai kalor untuk jerami tanaman, pelet kayu dan minyak pemanas dapat dilihat pada tabel 1 [2].
Tabel 1: Nilai pemanasan dan biaya pembawa energi yang berbeda
Harga | Nilai pemanasan | Biaya / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Minyak pemanas | 850 €/t | 35 MJ / l | 23.40 € |
| Pelet kayu | 220 €/t | 19 MJ / kg | 11.57 € |
| Jerami tanaman | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Seperti yang dapat dilihat dari tabel, nilai kalor yang lebih rendah untuk jerami tanaman diimbangi dengan biaya akuisisi yang jauh lebih rendah sehingga lebih ekonomis dibandingkan dengan memanaskan minyak. Oleh karena itu, limbah pertanian seperti jerami dari produksi sereal layak untuk dilirik sebagai sumber energi alternatif bersama dengan tanaman energi lainnya yang mudah tumbuh di hampir semua jenis tanah. Rumput perak Cina (miscanthus sinensis) dan miscanthus giganteus juga menunjukkan nilai kalori yang relatif tinggi dan kandungan abu yang rendah dan oleh karena itu menarik untuk diteliti lebih lanjut. Meskipun miscanthus harus dibudidayakan secara khusus untuk penggunaan energi, jerami rapa tersedia sebagai produk sampingan dari produksi biji-bijian. Oleh karena itu, keterbatasan lahan harus dipertimbangkan dalam menimbang manfaat dari kedua sumber energi tersebut.
Termogravimetri
Metode termogravimetri (TG) sangat cocok untuk penyelidikan proses pembakaran. Metode ini memungkinkan evaluasi cepat terhadap Stabilitas TermalSuatu bahan dikatakan stabil secara termal jika tidak terurai di bawah pengaruh suhu. Salah satu cara untuk menentukan stabilitas termal suatu zat adalah dengan menggunakan TGA (penganalisis termogravimetri). stabilitas termal bahan bakar padat. Jumlah bahan yang mudah terbakar (kehilangan massa) dan kandungan abu yang tersisa (residu) dapat diukur dengan mudah. Suhu pembakaran dan laju reaksi yang dianalisis melalui perangkat lunak NETZSCH Thermokinetics menghasilkan informasi kinetik yang penting tentang perilaku pembakaran material.
Kehilangan massa selama reaksi pembakaran dan kandungan abu mineral yang tidak mudah terbakar juga dapat diukur. Berbeda dengan reaksi lain, seperti dekomposisi atau pelepasan uap air atau pelarut, pembakaran adalah Reaksi Gas PadatReaksi gas-padat adalah jenis reaksi zat padat heterogen yang terjadi ketika zat padat reaktif terpapar pada aliran gas reaktif. Contoh umum dari reaksi gas-padat adalah penyerapan dan korosi logam.reaksi gas padat. Oleh karena itu, parameter seperti permukaan sampel, konsentrasi oksigen dalam gas pembersih, dan geometri wadah menjadi sangat penting.
Parameter penting ini dioptimalkan dalam eksperimen menggunakan NETZSCH STA 409 C untuk pembakaran pembangkit energi.
Perilaku Pembakaran
Catatan aplikasi ini menjelaskan hasil investigasi perilaku pembakaran jerami nabati (miscanthus dan repeseed) dan pelet yang dibuat darinya. Zat-zat yang diselidiki digambarkan dalam gambar 2 dan 3.
Perilaku pembakaran bahan diselidiki dengan NETZSCH STA 409 C. Tempat sampel DTA-TGA dengan krusibel alumina terbuka digunakan; gas pembersih adalah udara sintetis dengan laju aliran 80 ml/menit. Ketika menggunakan laju pemanasan 20 K/menit, reaksi pembakaran selesai pada suhu 600°C (gambar 4 dan 5).
Metode DTA menghasilkan informasi tentang jumlah panas yang dihasilkan dan laju pembentukan panas untuk reaksi pembakaran EksotermikTransisi sampel atau reaksi dikatakan eksotermik jika dihasilkan panas. eksotermal. Perlu dicatat bahwa sampel yang tidak dipelet menunjukkan panas reaksi yang lebih tinggi (sinyal DTA yang lebih besar) meskipun profil kehilangan massanya serupa. Luas permukaan yang lebih tinggi dari bahan lepas mendorong proses pembakaran yang lebih efisien. Selain itu, sampel jerami rapeseed menunjukkan perilaku pembakaran yang mirip dengan sampel miskantus. Massa residu (Kandungan AbuAbu adalah ukuran kandungan mineral oksida berdasarkan berat. Analisis termogravimetri (TGA) dalam atmosfer oksidatif merupakan metode yang telah terbukti dengan baik untuk menentukan residu anorganik, yang biasanya disebut abu, dalam bahan organik seperti polimer, karet, dan lain-lain. Oleh karena itu, pengukuran TGA akan mengidentifikasi apakah suatu bahan terisi dan menghitung total kandungan bahan pengisi. kadar abu) sesuai dengan komponen mineral inert dari pembangkit energi.
Penentuan Porositas dan Densitas
Dengan menggunakan porosimetri merkuri (Porotec Pascal 140/440), porositas dan densitas sampel ditentukan. Hasilnya dirangkum dalam tabel 1. Gambar 6 dan 7 mengilustrasikan perbedaan yang signifikan antara kedua bahan dan produk olahannya (pelet) dalam hal porositas dan KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan relatif atau spesifiknya. Sampel jerami rapeseed dicirikan oleh KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan yang lebih rendah dan volume pori yang jauh lebih besar daripada sampel miskantus (tabel 1). Hal ini jelas mendukung perilaku pembakaran karena sampel jerami lobak yang tidak dibuat pelet menunjukkan tingkat pembakaran yang jauh lebih tinggi pada suhu yang jauh lebih rendah daripada sampel pelet jerami lobak (gambar 5).
Tabel 2: Perbandingan data analitik dari empat sampel biomassa
| Properti | Miscanthus | Pelet Miscanthus | Jerami rapeseed | Pelet lobak |
|---|---|---|---|---|
| Porositas total [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Volume pori yang dihitung [m² / g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Permukaan sampel spesifik [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Jari-jari pori rata-rata [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Densitas1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. Kepadatan nyata2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Kepadatan: KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. Kepadatan jaringan padat (termasuk pori-pori dan ruang berongga antarpartikel)
2Kepadatan yang tampak: KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. Kepadatan material termasuk pori-pori yang tertutup dan tidak dapat diakses
Deteksi Gas dan Analisis Kinetik
Karakterisasi FT-IR dari gas yang terbentuk selama analisis termogravimetri mengungkapkan bahwa gas yang dihasilkan pada puncak laju dekomposisi (pada suhu 515°C) sebagian besar terdiri dariCO2. Pengaruh kondisi batas terhadap laju reaksi dapat dihindari secara luas jika wadah dengan alas planar dan laju aliran gas yang cukup tinggi (di sini 160 ml/menit oksigen) digunakan. Hal ini memenuhi persyaratan penting untuk memasukkan data yang diperoleh ke dalam analisis kinetik yang mendalam. Analisis termokinetik dari data termogravimetri dari sampel pelet miskantus yang diperoleh pada laju pemanasan antara 1 dan 5 K/menit. dilakukan dengan bantuan perangkat lunak NETZSCH Thermokinetics . Dua reaksi orde ke-n berturut-turut ditemukan menawarkan kecocokan terbaik untuk data eksperimen, seperti yang ditunjukkan pada gambar 9.
Kesimpulan
Investigasi termogravimetri ini menunjukkan bahwa persiapan sampel dan kondisi pengukuran memiliki pengaruh yang besar terhadap hasil. Perbandingan yang dapat diandalkan antara sampel pembangkit energi yang berbeda terkait perilaku pembakarannya hanya dapat dilakukan jika pengukuran dilakukan pada sampel pembangkit dengan kerapatan dan geometri kemasan yang sama dan dalam kondisi gas pembersih yang sama (yaitu konsentrasi oksigen dan laju aliran).
Untuk penyelidikan komparatif perilaku pembakaran pembangkit energi yang berbeda, dapat ditentukan bahwa parameter pengukuran seperti geometri sampel, jumlah sampel, konsentrasi oksigen dari gas pembersih, jumlah gas pembersih, tetapi juga ukuran bagian pembangkit atau KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan kemasan sampel sangat penting. Untuk meminimalkan pengaruh luar ini, semua parameter pengukuran STA 409 C disesuaikan sedemikian rupa sehingga tidak ada pengaruh terukur dari kondisi batas ini yang dapat mempengaruhi hasil. Hanya dengan cara ini yang memungkinkan untuk merealisasikan analisis termogravimetri komparatif dan juga evaluasi kinetik dari data pengukuran.
Meskipun miskantus menarik sebagai sumber energi karena KepadatanDensitas massa didefinisikan sebagai rasio antara massa dan volume. kepadatan energinya yang tinggi, kebutuhan untuk budidaya khusus tanaman ini menurunkan nilai potensinya. Rapeseed, di sisi lain, adalah produk sampingan yang mudah diperoleh dari produksi sereal dan juga sumber energi yang baik.