*Instituut voor productietechnologieën van keramische componenten en composieten, Universiteit van Stuttgart
Inleiding
Hernieuwbare grondstoffen zijn recentelijk een belangrijk onderwerp van discussie geworden vanwege de beperkte beschikbaarheid van fossiele brandstoffen. Vragen over gewasopbrengsten, het benodigde areaal en de energie-inhoud staan hierbij op de voorgrond. In vergelijking met fossiele brandstoffen wordt het verbrandingsgedrag van hernieuwbare grondstoffen veel meer beïnvloed door parameters zoals klimaatomstandigheden, verwerking van plantendelen, droging en opslag - samen met het bijbehorende vochtgehalte - en is daarom onderhevig aan grotere natuurlijke variatie. Figuur 1 toont een compilatie van grondstoffen en grondstoffen die kunnen worden geclassificeerd als biomassa en energiecentrales.
Energiecentrales
Als energiecentrales moeten worden gebruikt als alternatief voor fossiele brandstoffen, moeten de inkoopkosten worden vergeleken met de gewasopbrengsten. Bijvoorbeeld, 232 kg gerst komt qua stookwaarde overeen met 100 liter stookolie [1] en is 41 euro goedkoper op basis van de marktprijzen van september 2013. Uitgaande van een jaarlijks verbruik van 3.000 liter voor de verwarming van een vrijstaand huis in Duitsland, zou de besparing 1.200 euro per jaar bedragen. Aangezien landbouwgewassen, zoals verschillende graansoorten, alleen hoeven te worden gebruikt voor energieproductie als ze oneetbaar of van mindere kwaliteit en dus ongeschikt voor menselijke consumptie zijn, worden alternatieve energiecentrales intensief onderzocht.
Gezien de stijgende prijzen voor ruwe olie bieden houtpellets en andere energiecentrales nu al een kosteneffectief alternatief. De gemiddelde prijzen en verwarmingswaarden voor stro, houtpellets en stookolie worden vergeleken in tabel 1 [2].
Tabel 1: Verwarmingswaarden en kosten van verschillende energiedragers
Prijs | Verwarmingswaarde | Kosten / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Stookolie | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Houtpellets | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Stro | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Zoals uit de tabel blijkt, wordt de lagere verbrandingswaarde van stro gecompenseerd door de aanzienlijk lagere aanschafkosten, waardoor het voordeliger is dan stookolie. Daarom verdient landbouwafval zoals stro van de graanproductie een nadere beschouwing als alternatieve energiebron, samen met andere energieplanten die gemakkelijk groeien op bijna alle grondsoorten. Chinees zilvergras (miscanthus sinensis) en miscanthus giganteus hebben ook een relatief hoge calorische waarde en een laag asgehalte en zijn daarom interessant voor verder onderzoek. Hoewel miscanthus speciaal moet worden geteeld voor energiegebruik, is koolzaadstro beschikbaar als bijproduct van de graanproductie. Bij het afwegen van de voordelen van de twee energiebronnen moet daarom rekening worden gehouden met areaalbeperkingen.
Thermogravimetrie
De thermogravimetriemethode (TG) is bijzonder geschikt voor het onderzoeken van verbrandingsprocessen. Hiermee kan de Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit van voornamelijk vaste brandstoffen snel worden beoordeeld. De hoeveelheid brandbaar materiaal (massaverlies) en het resterende asgehalte (residu) worden eenvoudig gekwantificeerd. De verbrandingstemperatuur en reactiesnelheid geanalyseerd met behulp van de NETZSCH Thermokinetics software levert belangrijke kinetische informatie op over het verbrandingsgedrag van het materiaal.
Zowel het massaverlies tijdens de verbrandingsreactie als het niet-brandbare minerale asgehalte kan ook worden gekwantificeerd. In tegenstelling tot andere reacties, zoals ontleding of het vrijkomen van vocht of oplosmiddelen, is verbranding een vast-gasreactie. Parameters zoals het oppervlak van het monster, de zuurstofconcentratie in het spoelgas en de geometrie van de filterkroes zijn daarom van cruciaal belang.
Deze belangrijke parameters werden geoptimaliseerd in experimenten met de NETZSCH STA 409 C voor verbranding van energiecentrales.
Verbrandingsgedrag
Deze toepassingsnotitie beschrijft de resultaten van een onderzoek naar het verbrandingsgedrag van stro op plantaardige basis (miscanthus en herzaad) en pellets die daarvan zijn gemaakt. De onderzochte stoffen zijn afgebeeld in figuur 2 en 3.
Het verbrandingsgedrag van de materialen werd onderzocht met een NETZSCH STA 409 C. Er werd een DTA-TGA monsterhouder met open aluminiumoxide kroezen gebruikt; het spoelgas was synthetische lucht met een stroomsnelheid van 80 ml/min. Bij een verwarmingssnelheid van 20 K/min waren de verbrandingsreacties voltooid bij 600°C (figuren 4 en 5).
De DTA-methode geeft informatie over de hoeveelheid warmte die wordt opgewekt en de snelheid waarmee warmte wordt opgewekt voor de exotherme verbrandingsreactie. Er moet worden opgemerkt dat de niet-gepelletiseerde monsters een hogere reactiewarmte vertoonden (groter DTA-signaal), ook al was het massaverliesprofiel vergelijkbaar. Het grotere oppervlak van het losse materiaal bevordert een efficiënter verbrandingsproces. Bovendien vertoonden de koolzaadstromonsters een verbrandingsgedrag dat vergelijkbaar was met dat van de miscanthusmonsters. De restmassa (asgehalte) komt overeen met de inerte minerale componenten van de energiecentrales.
Bepaling van porositeit en dichtheid
Door middel van kwikporosimetrie (Porotec Pascal 140/440) werden de porositeit en DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid van de monsters bepaald. De resultaten zijn samengevat in tabel 1. Figuren 6 en 7 illustreren de significante verschillen tussen de twee materialen en hun verwerkte producten (pellets) met betrekking tot porositeit en hun relatieve of specifieke DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid. Het koolzaadstromonster wordt gekenmerkt door een lagere DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid en een aanzienlijk groter poriënvolume dan het miscanthusmonster (tabel 1). Dit is duidelijk gunstig voor het verbrandingsgedrag, aangezien het niet-gepelletiseerde koolzaadstro-monster een aanzienlijk hogere verbrandingssnelheid vertoonde bij een aanzienlijk lagere temperatuur dan het koolzaadstro-pelletmonster (figuur 5).
Tabel 2: Vergelijking van de analytische gegevens van de vier biomassamonsters
| Eigenschappen | Miscanthus | Miscanthus pellets | Koolzaadstro | Koolzaadpellets |
|---|---|---|---|---|
| Totale porositeit [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Volume poriën [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Specifiek monsteroppervlak [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Gemiddelde poriestraal [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Dichtheid1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Schijnbare dichtheid2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Dichtheid: DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. Dichtheid van het vaste netwerk (inclusief poriën en interparticulaire holle ruimte)
2Apparante DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid: DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. Dichtheid van het materiaal inclusief gesloten en niet-toegankelijke poriën
Gasdetectie en kinetische analyse
FT-IR-karakterisering van de geëvolueerde gassen die in de loop van de thermogravimetrische analyse werden gevormd, toonde aan dat de gassen die bij de piek in de ontledingssnelheid (bij 515 °C) ontstonden, voornamelijk uitCO2 bestonden. Randvoorwaarde-invloeden op de reactiesnelheid kunnen grotendeels worden vermeden als een smeltkroes met een vlakke bodem en een voldoende hoge gasstroomsnelheid (hier 160 ml/min zuurstof) worden gebruikt. Dit voldoet aan een cruciale voorwaarde om de verkregen gegevens aan een diepgaande kinetische analyse te onderwerpen. De thermokinetische analyse van de thermogravimetrische gegevens van het monster van de miscanthuskorrel, verkregen bij verwarmingssnelheden tussen 1 en 5 K/min, werd uitgevoerd met behulp van de software NETZSCH Thermokinetics . Twee opeenvolgende reacties van de n-de orde bleken het beste te passen bij de experimentele gegevens, zoals weergegeven in figuur 9.
Conclusie
Deze thermogravimetrische onderzoeken toonden aan dat monstervoorbereiding en meetomstandigheden een aanzienlijke invloed hebben op de resultaten. Betrouwbare vergelijkingen tussen verschillende monsters van energiecentrales met betrekking tot hun verbrandingsgedrag kunnen alleen worden gemaakt als de metingen worden uitgevoerd op monsters van centrales met een vergelijkbare verpakkingsdichtheid en geometrie en onder dezelfde omstandigheden voor het spoelgas (d.w.z. zuurstofconcentratie en debiet).
Voor vergelijkend onderzoek van het verbrandingsgedrag van verschillende energiecentrales kan worden vastgesteld dat de meetparameters zoals de geometrie van het monster, de hoeveelheid monster, de zuurstofconcentratie van het spoelgas, de hoeveelheid spoelgas, maar ook de grootte van de onderdelen van de installatie of de verpakkingsdichtheid van de monsters van doorslaggevend belang zijn. Om deze uiterlijke invloeden te minimaliseren, zijn alle meetparameters van de STA 409 C zo ingesteld dat geen meetbare invloeden van deze randvoorwaarden de resultaten kunnen beïnvloeden. Alleen op deze manier is het mogelijk om een vergelijkende thermogravimetrische analyse uit te voeren, maar ook een kinetische evaluatie van de meetgegevens.
Hoewel miscanthus aantrekkelijk is als energiebron vanwege zijn hoge energiedichtheid, verlaagt de noodzaak voor speciale teelt van dit gewas de potentiële waarde ervan. Koolzaad daarentegen is een gemakkelijk te verkrijgen bijproduct van de graanproductie en ook een goede energiebron.