*Instytut Technologii Wytwarzania Komponentów Ceramicznych i Kompozytów, Uniwersytet w Stuttgarcie
Wprowadzenie
Surowce odnawialne stały się ostatnio głównym tematem dyskusji ze względu na ograniczoną dostępność paliw kopalnych. Na pierwszy plan wysuwają się pytania dotyczące plonów, wymaganego areału i zawartości energii. W porównaniu z paliwami kopalnymi, na spalanie surowców odnawialnych znacznie większy wpływ mają takie parametry, jak warunki klimatyczne, przetwarzanie części roślin, suszenie i przechowywanie - wraz z powiązaną zawartością wilgoci - i dlatego podlegają one większym naturalnym wahaniom. Rysunek 1 przedstawia zestawienie surowców, które można sklasyfikować jako biomasę i rośliny energetyczne.
Zakłady energetyczne
Jeśli rośliny energetyczne mają być wykorzystywane jako alternatywa dla paliw kopalnych, koszty zakupu muszą być porównywane z plonami. Na przykład, 232 kg jęczmienia jest równoważne 100 litrom oleju opałowego pod względem wartości opałowej [1] i jest tańsze o 41 euro w oparciu o ceny rynkowe z września 2013 roku. Zakładając roczne zużycie na poziomie 3000 litrów do ogrzewania domu jednorodzinnego w Niemczech, oszczędności wyniosłyby 1200 euro rocznie. Ponieważ rośliny rolnicze, takie jak różne rodzaje zbóż, muszą być wykorzystywane do produkcji energii tylko wtedy, gdy są niejadalne lub mają niską jakość, a zatem nie nadają się do spożycia przez ludzi, intensywnie bada się alternatywne źródła energii.
W związku z rosnącymi cenami ropy naftowej, peletów drzewnych i innych, elektrownie już teraz stanowią opłacalną alternatywę. Średnie ceny i wartości opałowe dla słomy roślinnej, pelletu drzewnego i oleju opałowego porównano w tabeli 1 [2].
Tabela 1: Wartości opałowe i koszty różnych nośników energii
Cena | Wartość opałowa | Koszt / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Olej opałowy | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Pelety drzewne | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Słoma roślinna | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Jak widać z tabeli, niższa wartość opałowa słomy zbożowej jest równoważona przez znacznie niższe koszty jej pozyskania, co czyni ją bardziej ekonomiczną niż olej opałowy. Dlatego też odpady rolnicze, takie jak słoma z produkcji zbóż, zasługują na bliższe przyjrzenie się im jako alternatywnemu źródłu energii wraz z innymi roślinami energetycznymi, które łatwo rosną na prawie wszystkich rodzajach gleby. Miskant chiński (miscanthus sinensis) i miskant olbrzymi (miscanthus giganteus) również wykazują stosunkowo wysokie wartości opałowe i niską Zawartość popiołuPopiół jest miarą zawartości tlenków mineralnych w przeliczeniu na masę. Analiza termograwimetryczna (TGA) w atmosferze utleniającej jest sprawdzoną metodą określania pozostałości nieorganicznych, powszechnie określanych jako popiół, w materiałach organicznych, takich jak polimery, gumy itp. W związku z tym pomiar TGA pozwoli Identify określić, czy materiał jest wypełniony i obliczyć całkowitą zawartość wypełniacza.zawartość popiołu, a zatem są przedmiotem dalszych badań. Chociaż miskant musi być szczególnie uprawiany do celów energetycznych, słoma rzepakowa jest dostępna jako produkt uboczny produkcji zbóż. Ograniczenia areału muszą być zatem brane pod uwagę przy rozważaniu korzyści płynących z tych dwóch źródeł energii.
Termograwimetria
Metoda termograwimetrii (TG) jest szczególnie odpowiednia do badania procesów spalania. Umożliwia ona szybką ocenę stabilności termicznej głównie paliw stałych. Ilość materiału palnego (ubytek masy) i pozostała Zawartość popiołuPopiół jest miarą zawartości tlenków mineralnych w przeliczeniu na masę. Analiza termograwimetryczna (TGA) w atmosferze utleniającej jest sprawdzoną metodą określania pozostałości nieorganicznych, powszechnie określanych jako popiół, w materiałach organicznych, takich jak polimery, gumy itp. W związku z tym pomiar TGA pozwoli Identify określić, czy materiał jest wypełniony i obliczyć całkowitą zawartość wypełniacza.zawartość popiołu (pozostałość) są łatwo określane ilościowo. Temperatura spalania i szybkość reakcji analizowane za pomocą oprogramowania NETZSCH Thermokinetics dostarczają ważnych informacji kinetycznych na temat zachowania materiału podczas spalania.
Zarówno utrata masy podczas reakcji spalania, jak i zawartość niepalnego popiołu mineralnego mogą być również określone ilościowo. W przeciwieństwie do innych reakcji, takich jak Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład lub uwalnianie wilgoci lub rozpuszczalników, spalanie jest reakcją ciało stałe-gaz. Parametry takie jak powierzchnia próbki, stężenie tlenu w gazie przedmuchującym i geometria tygla są zatem niezwykle ważne.
Te ważne parametry zostały zoptymalizowane w eksperymentach z wykorzystaniem urządzenia NETZSCH STA 409 C do spalania roślin energetycznych.
Zachowanie podczas spalania
W niniejszej nocie aplikacyjnej opisano wyniki badania zachowania się podczas spalania słomy pochodzenia roślinnego (miskant i nasiona repeseed) oraz wytworzonych z niej peletów. Badane substancje przedstawiono na rysunkach 2 i 3.
Zachowanie materiałów podczas spalania zbadano za pomocą urządzenia NETZSCH STA 409 C. Zastosowano uchwyt próbki DTA-TGA z otwartymi tyglami z tlenku glinu; gazem przedmuchującym było syntetyczne powietrze o natężeniu przepływu 80 ml/min. Przy zastosowaniu szybkości ogrzewania 20 K/min, reakcje spalania zostały zakończone w temperaturze 600°C (rysunki 4 i 5).
Metoda DTA dostarcza informacji na temat ilości generowanego ciepła i szybkości generowania ciepła dla egzotermicznej reakcji spalania. Należy zauważyć, że próbki bez peletyzacji wykazywały wyższe ciepło reakcji (larger sygnał DTA), mimo że profil utraty masy był podobny. Większa powierzchnia luźnego materiału sprzyja bardziej wydajnemu procesowi spalania. Ponadto próbki słomy rzepakowej wykazywały zachowanie podczas spalania podobne do próbek miskanta. Masa resztkowa (Zawartość popiołuPopiół jest miarą zawartości tlenków mineralnych w przeliczeniu na masę. Analiza termograwimetryczna (TGA) w atmosferze utleniającej jest sprawdzoną metodą określania pozostałości nieorganicznych, powszechnie określanych jako popiół, w materiałach organicznych, takich jak polimery, gumy itp. W związku z tym pomiar TGA pozwoli Identify określić, czy materiał jest wypełniony i obliczyć całkowitą zawartość wypełniacza.zawartość popiołu) odpowiada obojętnym składnikom mineralnym roślin energetycznych.
Określanie porowatości i gęstości
Za pomocą porozymetrii rtęciowej (Porotec Pascal 140/440) określono porowatość i gęstość próbek. Wyniki zostały podsumowane w tabeli 1. Rysunki 6 i 7 ilustrują znaczące różnice między dwoma materiałami i ich przetworzonymi produktami (peletami) w odniesieniu do porowatości i ich gęstości względnej lub właściwej. Próbka słomy rzepakowej charakteryzuje się niższą gęstością i znacznie larger większą objętością porów niż próbka miskanta (tabela 1). To oczywiście sprzyja spalaniu, ponieważ próbka słomy rzepakowej bez peletowania wykazała znacznie wyższą szybkość spalania w znacznie niższej temperaturze niż próbka peletu ze słomy rzepakowej (rysunek 5).
Tabela 2: Porównanie danych analitycznych czterech próbek biomasy
| Właściwości | Miskant | Granulat z miskanta | Słoma rzepakowa | Granulat rzepakowy |
|---|---|---|---|---|
| Całkowita porowatość [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Wspólna objętość porów [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Powierzchnia właściwa próbki [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Średni promień porów [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| GęstośćGęstość masy definiuje się jako stosunek masy do objętości. Gęstość1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Gęstość pozorna2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Gęstość: Gęstość sieci stałej (w tym porów i pustych przestrzeni międzycząsteczkowych)
2Gęstość pozorna: Gęstość materiału z uwzględnieniem zamkniętych i niedostępnych porów
Wykrywanie gazu i analiza kinetyczna
Charakterystyka FT-IR gazów powstałych w trakcie analizy termograwimetrycznej wykazała, że gazy generowane w szczycie szybkości rozkładu (w temperaturze 515°C) składały się głównie zCO2. Wpływu warunków brzegowych na szybkość reakcji można w znacznym stopniu uniknąć, jeśli zastosuje się tygiel o płaskiej podstawie i wystarczająco wysokim natężeniu przepływu gazu (tutaj 160 ml/min tlenu). Spełnia to kluczowy wymóg poddania uzyskanych danych dogłębnej analizie kinetycznej. Analiza termokinetyczna danych termograwimetrycznych z próbki granulatu miskanta uzyskanych przy szybkości ogrzewania od 1 do 5 K/min. została przeprowadzona przy pomocy oprogramowania NETZSCH Thermokinetics Stwierdzono, że dwie kolejne reakcje n-tego rzędu zapewniają najlepsze dopasowanie do danych eksperymentalnych, jak pokazano na rysunku 9.
Wnioski
Badania termograwimetryczne wykazały, że przygotowanie próbki i warunki pomiaru mają znaczący wpływ na wyniki. Wiarygodne porównania między różnymi próbkami instalacji energetycznych w odniesieniu do ich zachowania podczas spalania można przeprowadzić tylko wtedy, gdy pomiary są wykonywane na próbkach instalacji o podobnej gęstości upakowania i geometrii oraz w tych samych warunkach gazu oczyszczającego (tj. stężenie tlenu i natężenie przepływu).
W celu przeprowadzenia badań porównawczych spalania w różnych instalacjach energetycznych można stwierdzić, że parametry pomiarowe, takie jak geometria próbki, ilość próbki, stężenie tlenu w gazie oczyszczającym, ilość gazu oczyszczającego, ale także rozmiar części instalacji lub gęstość upakowania próbek mają decydujące znaczenie. Aby zminimalizować te zewnętrzne wpływy, wszystkie parametry pomiarowe STA 409 C zostały dostosowane w taki sposób, aby żaden mierzalny wpływ tych warunków brzegowych nie mógł wpływać na wyniki. Tylko w ten sposób możliwe jest przeprowadzenie porównawczej analizy termograwimetrycznej, ale także kinetycznej oceny danych pomiarowych.
Chociaż miskant jest atrakcyjny jako źródło energii ze względu na wysoką gęstość energii, potrzeba specjalnej uprawy tej rośliny obniża jej potencjalną wartość. Z drugiej strony rzepak jest łatwo dostępnym produktem ubocznym produkcji zbóż, a także dobrym źródłem energii.