*Instituto de Tecnologias de Fabricação de Componentes Cerâmicos e Compostos, Universidade de Stuttgart
Introdução
As matérias-primas renováveis tornaram-se recentemente um importante tópico de discussão devido à disponibilidade limitada de combustíveis fósseis. As questões sobre o rendimento das colheitas, a quantidade de área necessária e o conteúdo energético estão em primeiro plano. Em comparação com os combustíveis fósseis, o comportamento de combustão das matérias-primas renováveis é muito mais influenciado por parâmetros como condições climáticas, processamento de partes da planta, secagem e armazenamento - juntamente com o teor de umidade associado - e, portanto, está sujeito a uma maior variação natural. A Figura 1 mostra uma compilação de matérias-primas e aquelas que podem ser classificadas como biomassa e usinas de energia.
Usinas de energia
Para que as usinas de energia sejam usadas como alternativa aos combustíveis fósseis, os custos de aquisição devem ser comparados com os rendimentos das culturas. Por exemplo, 232 kg de cevada equivalem a 100 litros de óleo para aquecimento em valor de aquecimento [1] e são 41 euros mais baratos em termos de custo com base nos preços de mercado de setembro de 2013. Supondo um consumo anual de 3.000 litros para aquecimento de uma casa independente na Alemanha, a economia seria de 1.200 euros por ano. Como as plantas agrícolas, como vários tipos de grãos, só precisam ser usadas para a produção de energia se não forem comestíveis ou se forem de baixa qualidade e, portanto, impróprias para o consumo humano, as plantas de energia alternativas estão sendo intensamente examinadas.
Em vista do aumento dos preços do petróleo bruto, pellets de madeira e outros, as usinas de energia já oferecem uma alternativa econômica. Os preços médios e os valores de aquecimento para palha de colheita, pellets de madeira e óleo para aquecimento são comparados na tabela 1 [2].
Tabela 1: Valores de aquecimento e custos de diferentes fontes de energia
Preço | Valor de aquecimento | Custo / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Óleo para aquecimento | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Pellets de madeira | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Palha de colheita | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Como pode ser visto na tabela, o valor de aquecimento mais baixo da palha da colheita é compensado por seus custos de aquisição consideravelmente mais baixos, tornando-a mais econômica do que o óleo para aquecimento. Portanto, os resíduos agrícolas, como a palha da produção de cereais, merecem uma análise mais detalhada como fonte de energia alternativa, juntamente com outras plantas energéticas que crescem prontamente em quase todos os tipos de solo. A grama-prateada-chinesa (miscanthus sinensis) e o miscanthus giganteus também apresentam valores caloríficos comparativamente altos e baixo teor de cinzas e, portanto, são de interesse para uma investigação mais aprofundada. Embora o miscanthus deva ser cultivado especialmente para uso energético, a palha de colza está disponível como subproduto da produção de grãos. As limitações de área devem, portanto, ser consideradas na ponderação dos benefícios das duas fontes de energia.
Termogravimetria
O método de termogravimetria (TG) é particularmente adequado para a investigação de processos de combustão. Ele permite uma avaliação rápida da Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica principalmente de combustíveis sólidos. A quantidade de material combustível (perda de massa) e o Conteúdo de cinzasA cinza é uma medida do conteúdo de óxido mineral em uma base de peso. A análise termogravimétrica (TGA) em uma atmosfera oxidativa é um método comprovado para determinar o resíduo inorgânico, comumente chamado de cinza, em materiais orgânicos, como polímeros, borrachas etc. Portanto, a medição de TGA identificará se um material é preenchido e calculará o conteúdo total de preenchimento.conteúdo de cinzas restantes (resíduo) são facilmente quantificados. A temperatura de combustão e a taxa de reação analisadas por meio do software NETZSCH Thermokinetics fornecem informações cinéticas importantes sobre o comportamento de combustão do material.
A perda de massa durante a reação de combustão e o Conteúdo de cinzasA cinza é uma medida do conteúdo de óxido mineral em uma base de peso. A análise termogravimétrica (TGA) em uma atmosfera oxidativa é um método comprovado para determinar o resíduo inorgânico, comumente chamado de cinza, em materiais orgânicos, como polímeros, borrachas etc. Portanto, a medição de TGA identificará se um material é preenchido e calculará o conteúdo total de preenchimento.conteúdo de cinzas minerais não inflamáveis também podem ser quantificados. Em contraste com outras reações, como a Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição ou a liberação de umidade ou solventes, a combustão é uma reação sólido-gás. Portanto, parâmetros como a superfície da amostra, a concentração de oxigênio no gás de purga e a geometria do cadinho são extremamente importantes.
Esses parâmetros importantes foram otimizados em experimentos usando o NETZSCH STA 409 C para a combustão de usinas de energia.
Comportamento da combustão
Esta nota de aplicação descreve os resultados de uma pesquisa sobre o comportamento de combustão de palha vegetal (miscanthus e repeseed) e pellets feitos a partir dela. As substâncias que foram investigadas estão representadas nas figuras 2 e 3.
O comportamento de combustão dos materiais foi investigado com um NETZSCH STA 409 C. Foi utilizado um suporte de amostra DTA-TGA com cadinhos de alumina abertos; o gás de purga foi ar sintético com uma taxa de fluxo de 80 ml/min. Ao empregar uma taxa de aquecimento de 20 K/min, as reações de combustão foram concluídas em 600°C (figuras 4 e 5).
O método DTA fornece informações sobre a quantidade de calor gerado e a taxa de geração de calor para a reação de combustão exotérmica. Deve-se observar que as amostras não peletizadas apresentaram um maior calor de reação (larger sinal DTA), embora o perfil de perda de massa tenha sido semelhante. A maior área de superfície do material solto promove um processo de combustão mais eficiente. Além disso, as amostras de palha de colza apresentaram um comportamento de combustão semelhante ao das amostras de miscanthus. A massa residual (teor de cinzas) corresponde aos componentes minerais inertes das usinas de energia.
Determinação da porosidade e da densidade
Por meio da porosimetria de mercúrio (Porotec Pascal 140/440), foram determinadas a porosidade e a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade das amostras. Os resultados estão resumidos na tabela 1. As Figuras 6 e 7 ilustram as diferenças significativas entre os dois materiais e seus produtos processados (pellets) com relação à porosidade e à DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade relativa ou específica. A amostra de palha de colza é caracterizada por uma DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade mais baixa e um volume de poros consideravelmente largemaior do que a amostra de miscanthus (tabela 1). Isso obviamente favorece o comportamento da combustão, pois a amostra de palha de colza não peletizada apresentou uma taxa de combustão significativamente maior em uma temperatura consideravelmente mais baixa do que a amostra de pellets de palha de colza (Figura 5).
Tabela 2: Comparação dos dados analíticos das quatro amostras de biomassa
| Propriedades | Miscanthus | Pellets de Miscanthus | Palha de colza | Pellets de colza |
|---|---|---|---|---|
| Porosidade total [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Volume de poros comulado [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Superfície específica da amostra [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Raio médio dos poros [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Densidade1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. Densidadeaparente2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Densidade: DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. Densidade da rede sólida (incluindo poros e espaço oco interparticular)
2Densidade aparente: DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. Densidade do material, incluindo poros fechados e não acessíveis
Detecção de gás e análise cinética
A caracterização FT-IR dos gases evoluídos formados no decorrer da análise termogravimétrica revelou que os gases gerados no pico da taxa de Reação de decomposiçãoUma reação de decomposição é uma reação induzida termicamente de um composto químico que forma produtos sólidos e/ou gasosos. decomposição (a 515°C) consistiam principalmente deCO2. As influências das condições de limite na taxa de reação podem ser evitadas em grande parte se for utilizado um cadinho com base plana e uma taxa de fluxo de gás suficientemente alta (aqui, 160 ml/min de oxigênio). Isso atende a um requisito fundamental para submeter os dados obtidos a uma análise cinética aprofundada. A análise termocinética dos dados termogravimétricos da amostra de pellets de miscanthus obtidos a taxas de aquecimento entre 1 e 5 K/min foi realizada com a ajuda do software NETZSCH Thermokinetics . Descobriu-se que duas reações consecutivas de enésima ordem oferecem o melhor ajuste aos dados experimentais, conforme mostrado na figura 9.
Conclusão
Essas investigações termogravimétricas mostraram que a preparação da amostra e as condições de medição têm uma influência substancial sobre os resultados. Comparações confiáveis entre diferentes amostras de usinas de energia em relação ao seu comportamento de combustão só podem ser feitas quando as medições são realizadas em amostras de usinas com DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade e geometria de empacotamento semelhantes e sob as mesmas condições de gás de purga (ou seja, concentração de oxigênio e taxa de fluxo).
Para a investigação comparativa do comportamento de combustão de diferentes usinas de energia, pode-se determinar que os parâmetros de medição, como geometria da amostra, quantidade de amostra, concentração de oxigênio do gás de purga, quantidade de gás de purga, mas também o tamanho das partes da usina ou a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade de empacotamento das amostras são de importância decisiva. Para minimizar essas influências externas, todos os parâmetros de medição do STA 409 C foram ajustados de forma que nenhuma influência mensurável dessas condições de limite possa afetar os resultados. Somente dessa forma é possível realizar uma análise termogravimétrica comparativa, mas também uma avaliação cinética dos dados de medição.
Embora o miscanthus seja atraente como fonte de energia devido à sua alta DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade energética, a necessidade de cultivo especial dessa cultura reduz seu valor potencial. A colza, por outro lado, é um subproduto facilmente obtido da produção de cereais e também uma boa fonte de energia.