*Istituto per le tecnologie di produzione di componenti ceramici e compositi, Università di Stoccarda
Introduzione
Le materie prime rinnovabili sono diventate di recente un argomento di discussione importante a causa della limitata disponibilità di combustibili fossili. Le questioni relative alle rese delle colture, alla quantità di superficie necessaria e al contenuto energetico sono in primo piano. Rispetto ai combustibili fossili, il comportamento di combustione delle materie prime rinnovabili è molto più influenzato da parametri quali le condizioni climatiche, la lavorazione delle parti vegetali, l'essiccazione e lo stoccaggio - insieme al relativo contenuto di umidità - ed è quindi soggetto a maggiori variazioni naturali. La Figura 1 mostra una raccolta di materie prime e di quelle che possono essere classificate come biomasse e piante energetiche.
Impianti energetici
Se le piante energetiche devono essere utilizzate come alternativa ai combustibili fossili, i costi di approvvigionamento devono essere confrontati con i rendimenti delle colture. Ad esempio, 232 kg di orzo equivalgono a 100 litri di gasolio da riscaldamento in termini di potere calorifico [1] e hanno un costo inferiore di 41 euro in base ai prezzi di mercato di settembre 2013. Ipotizzando un consumo annuo di 3.000 litri per il riscaldamento di una casa indipendente in Germania, il risparmio sarebbe di 1.200 euro all'anno. Poiché le piante agricole, come vari tipi di cereali, devono essere utilizzate per la produzione di energia solo se non sono commestibili o di qualità inferiore e quindi non adatte al consumo umano, si stanno esaminando intensamente impianti energetici alternativi.
Alla luce dell'aumento dei prezzi del petrolio greggio, i pellet di legno e gli altri impianti energetici offrono già un'alternativa economicamente vantaggiosa. I prezzi medi e i valori di riscaldamento della paglia, dei pellet di legno e del gasolio da riscaldamento sono confrontati nella tabella 1 [2].
Tabella 1: Valori di riscaldamento e costi dei diversi vettori energetici
Prezzo | Valore di riscaldamento | Costo / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Olio da riscaldamento | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Pellet di legno | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Paglia di coltura | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Come si evince dalla tabella, il minore potere calorifico della paglia di cereali è compensato dai costi di acquisizione notevolmente inferiori, che la rendono più economica del gasolio da riscaldamento. Pertanto, gli scarti agricoli come la paglia della produzione di cereali meritano di essere esaminati più da vicino come fonte di energia alternativa, insieme ad altre piante energetiche che crescono facilmente su quasi tutti i tipi di terreno. Anche l'erba argentata cinese (miscanthus sinensis) e il miscanthus giganteus presentano valori calorici relativamente elevati e un bassoContenuto di cenereLa cenere è una misura del contenuto di ossidi minerali su base ponderale. L'analisi termogravimetrica (TGA) in atmosfera ossidativa è un metodo ben collaudato per determinare il residuo inorganico, comunemente chiamato cenere, nei materiali organici come polimeri, gomme, ecc. Pertanto, la misurazione TGA identifica se un materiale è riempito e calcola il contenuto totale di riempitivo. contenuto di ceneri e sono quindi interessanti per ulteriori indagini. Sebbene il miscanto debba essere coltivato appositamente per l'uso energetico, la paglia di colza è disponibile come sottoprodotto della produzione di cereali. I limiti di superficie devono quindi essere considerati nel valutare i vantaggi delle due fonti energetiche.
Termogravimetria
Il metodo della termogravimetria (TG) è particolarmente adatto per lo studio dei processi di combustione. Consente di valutare rapidamente la Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica di combustibili prevalentemente solidi. La quantità di materiale combustibile (perdita di massa) e ilContenuto di cenereLa cenere è una misura del contenuto di ossidi minerali su base ponderale. L'analisi termogravimetrica (TGA) in atmosfera ossidativa è un metodo ben collaudato per determinare il residuo inorganico, comunemente chiamato cenere, nei materiali organici come polimeri, gomme, ecc. Pertanto, la misurazione TGA identifica se un materiale è riempito e calcola il contenuto totale di riempitivo. contenuto di ceneri residue (residuo) sono facilmente quantificabili. La temperatura di combustione e la velocità di reazione analizzate mediante il software NETZSCH Thermokinetics forniscono importanti informazioni cinetiche sul comportamento di combustione del materiale.
È inoltre possibile quantificare la perdita di massa durante la reazione di combustione e ilContenuto di cenereLa cenere è una misura del contenuto di ossidi minerali su base ponderale. L'analisi termogravimetrica (TGA) in atmosfera ossidativa è un metodo ben collaudato per determinare il residuo inorganico, comunemente chiamato cenere, nei materiali organici come polimeri, gomme, ecc. Pertanto, la misurazione TGA identifica se un materiale è riempito e calcola il contenuto totale di riempitivo. contenuto di ceneri minerali non infiammabili. A differenza di altre reazioni, come la Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione o il rilascio di umidità o solventi, la combustione è una reazione solido-gas. Parametri come la superficie del campione, la concentrazione di ossigeno nel gas di lavaggio e la geometria del crogiolo sono quindi di fondamentale importanza.
Questi importanti parametri sono stati ottimizzati in esperimenti che hanno utilizzato il sistema NETZSCH STA 409 C per la combustione di impianti energetici.
Comportamento di combustione
La presente nota applicativa descrive i risultati di un'indagine sul comportamento di combustione della paglia di origine vegetale (miscanto e risemina) e dei pellet da essa ottenuti. Le sostanze analizzate sono raffigurate nelle figure 2 e 3.
Il comportamento di combustione dei materiali è stato studiato con un NETZSCH STA 409 C. È stato utilizzato un portacampioni DTA-TGA con crogioli di allumina aperti; il gas di spurgo era aria sintetica con una portata di 80 ml/min. Impiegando una velocità di riscaldamento di 20 K/min, le reazioni di combustione sono state completate a 600°C (figure 4 e 5).
Il metodo DTA fornisce informazioni sulla quantità di calore generato e sulla velocità di generazione del calore per la reazione di combustione esotermica. Va notato che i campioni non pellettizzati hanno mostrato un calore di reazione più elevato (larger segnale DTA), anche se il profilo di perdita di massa era simile. La maggiore superficie del materiale sfuso favorisce un processo di combustione più efficiente. Inoltre, i campioni di paglia di colza hanno mostrato un comportamento di combustione simile a quello dei campioni di miscanto. La massa residua (contenuto di ceneri) corrisponde ai componenti minerali inerti degli impianti energetici.
Determinazione della porosità e della densità
Mediante porosimetria a mercurio (Porotec Pascal 140/440), sono state determinate la porosità e la densità dei campioni. I risultati sono riassunti nella tabella 1. Le figure 6 e 7 illustrano le differenze significative tra i due materiali e i loro prodotti trasformati (pellet) per quanto riguarda la porosità e la densità relativa o specifica. Il campione di paglia di colza è caratterizzato da una densità inferiore e da un volume dei pori notevolmente larger rispetto al campione di miscanto (tabella 1). Questo ovviamente favorisce il comportamento della combustione, poiché il campione di paglia di colza non pellettizzato ha mostrato un tasso di combustione significativamente più alto a una temperatura notevolmente inferiore rispetto al campione di pellet di paglia di colza (figura 5).
Tabella 2: Confronto dei dati analitici dei quattro campioni di biomassa
| Proprietà | Miscanto | Pellet di miscanto | Paglia di colza | Pellet di colza |
|---|---|---|---|---|
| Porosità totale [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Volume dei pori commisurato [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Superficie specifica del campione [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Raggio medio dei pori [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| DensitàLa densità di massa è definita come il rapporto tra massa e volume. Densità1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Densità apparente2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Densità: Densità della rete solida (compresi i pori e lo spazio vuoto interparticellare)
2Densità apparente: Densità del materiale, compresi i pori chiusi e non accessibili
Rilevamento di gas e analisi cinetica
La caratterizzazione FT-IR dei gas evoluti formatisi nel corso dell'analisi termogravimetrica ha rivelato che i gas generati in corrispondenza del picco della velocità di Reazione di decomposizioneUna reazione di decomposizione è una reazione termicamente indotta di un composto chimico che forma prodotti solidi e/o gassosi. decomposizione (a 515°C) sono costituiti principalmente daCO2. Le influenze delle condizioni limite sulla velocità di reazione possono essere evitate in larga misura se si utilizza un crogiolo con base planare e una portata di gas sufficientemente elevata (qui 160 ml/min di ossigeno). Ciò soddisfa un requisito fondamentale per sottoporre i dati ottenuti a un'analisi cinetica approfondita. L'analisi termocinetica dei dati termogravimetrici del campione di pellet di miscanto, ottenuti a velocità di riscaldamento comprese tra 1 e 5 K/min, è stata effettuata con l'ausilio del software NETZSCH Thermokinetics . Due reazioni consecutive del nono ordine sono risultate quelle che meglio si adattano ai dati sperimentali, come mostrato in figura 9.
Conclusione
Queste indagini termogravimetriche hanno dimostrato che la preparazione del campione e le condizioni di misurazione hanno un'influenza sostanziale sui risultati. È possibile effettuare confronti affidabili tra diversi campioni di impianti energetici per quanto riguarda il loro comportamento di combustione solo se le misurazioni vengono eseguite su campioni di impianti con densità e geometria di imballaggio simili e nelle stesse condizioni di gas di lavaggio (cioè, concentrazione di ossigeno e portata).
Per un'indagine comparativa del comportamento di combustione di diversi impianti energetici, è stato possibile determinare che i parametri di misurazione come la geometria del campione, la quantità di campione, la concentrazione di ossigeno del gas di lavaggio, la quantità di gas di lavaggio, ma anche le dimensioni delle parti dell'impianto o la densità di imballaggio dei campioni sono di importanza decisiva. Per ridurre al minimo queste influenze esterne, tutti i parametri di misura dello STA 409 C sono stati regolati in modo che nessuna influenza misurabile di queste condizioni al contorno possa influenzare i risultati. Solo in questo modo è possibile realizzare un'analisi termogravimetrica comparativa, ma anche una valutazione cinetica dei dati di misura.
Sebbene il miscanto sia interessante come fonte di energia grazie alla sua alta densità energetica, la necessità di una coltivazione speciale di questa coltura ne riduce il valore potenziale. I semi di colza, invece, sono un sottoprodotto facilmente ottenibile dalla produzione di cereali e sono anche una buona fonte di energia.