Investigații privind comportamentul de combustie al instalațiilor energetice

*Institutul pentru tehnologii de fabricație a componentelor ceramice și compozitelor, Universitatea din Stuttgart

Introducere

Materiile prime regenerabile au devenit recent un subiect major de discuție din cauza disponibilității limitate a combustibililor fosili. Întrebările privind randamentul culturilor, suprafețele necesare și conținutul energetic sunt în prim-plan. În comparație cu combustibilii fosili, comportamentul la ardere al materiilor prime regenerabile este mult mai influențat de parametri precum condițiile climatice, prelucrarea, uscarea și depozitarea părților vegetale - împreună cu conținutul de umiditate aferent - și, prin urmare, este supus unor variații naturale mai mari. Figura 1 prezintă o compilație de materii prime și cele care pot fi clasificate ca biomasă și plante energetice.

Diagrama de flux a biomasei și a materiilor prime regenerabile care evidențiază sursele de energie și categoriile de biocombustibili, subliniind practicile durabile. — 1) Prezentare generală: Biomasa și materiile prime regenerabile

Instalații energetice

În cazul în care plantele energetice urmează să fie utilizate ca alternativă la combustibilii fosili, costurile de achiziție trebuie comparate cu randamentul culturilor. De exemplu, 232 kg de orz echivalează cu 100 de litri de motorină în ceea ce privește puterea calorifică [1] și este cu 41 de euro mai ieftin în funcție de prețurile pieței din septembrie 2013. Presupunând un consum anual de 3 000 de litri pentru încălzirea unei case individuale în Germania, economiile ar fi de 1 200 de euro pe an. Deoarece plantele agricole, precum diferite tipuri de cereale, trebuie utilizate pentru producția de energie numai dacă sunt necomestibile sau de calitate inferioară și, prin urmare, improprii consumului uman, se examinează intens plantele energetice alternative.

Având în vedere creșterea prețurilor la țiței, peleții de lemn și altele, centralele energetice oferă deja o alternativă rentabilă. În tabelul 1 [2] sunt comparate prețurile medii și valorile termice pentru paie vegetale, peleți de lemn și păcură.

Tabelul 1: Valorile de încălzire și costurile diferitelor surse de energie

	Preț	Putere de încălzire	Cost / 1000 MJ
Ulei pentru încălzire	850 €/t	35 MJ/l	23.40 €
Pelete de lemn	220 €/t	19 MJ/kg	11.57 €
Paie de recoltă	110 €/t	16 MJ/kg	6.87 €

După cum se poate observa din tabel, puterea calorifică mai mică a paielor din culturi este compensată de costurile de achiziție considerabil mai mici, ceea ce le face mai economice decât păcura. Prin urmare, deșeurile agricole, cum ar fi paiele din producția de cereale, merită să fie examinate mai atent ca sursă alternativă de energie, alături de alte plante energetice care cresc ușor pe aproape toate tipurile de sol. Iarba argintie chinezească (miscanthus sinensis) și miscanthus giganteus prezintă, de asemenea, valori calorifice relativ ridicate și un conținut scăzut de cenușă și, prin urmare, sunt de interes pentru investigații suplimentare. Deși miscanthus trebuie cultivat în special pentru utilizarea energetică, paiele de rapiță sunt disponibile ca subprodus al producției de cereale. Prin urmare, trebuie să se țină seama de limitările de suprafață atunci când se cântăresc beneficiile celor două surse de energie.

Termogravimetrie

Metoda termogravimetriei (TG) este deosebit de potrivită pentru investigarea proceselor de ardere. Ea permite o evaluare rapidă a stabilității termice a combustibililor în principal solizi. Cantitatea de material combustibil (pierdere de masă) și conținutul de cenușă rămasă (reziduu) sunt ușor de cuantificat. Temperatura de ardere și viteza de reacție analizate cu ajutorul software-ului NETZSCH Thermokinetics furnizează informații cinetice importante despre comportamentul de ardere al materialului.

De asemenea, pot fi cuantificate atât pierderea de masă în timpul reacției de ardere, cât și conținutul de cenușă minerală neinflamabilă. Spre deosebire de alte reacții, cum ar fi descompunerea sau eliberarea de umiditate sau solvenți, combustia este o reacție solid-gaz. Parametrii precum suprafața probei, concentrația de oxigen în gazul de purjare și geometria creuzetului sunt, prin urmare, extrem de importanți.

Acești parametri importanți au fost optimizați în experimentele care au utilizat NETZSCH STA 409 C pentru arderea plantelor energetice.

Comportamentul combustiei

Prezenta notă de aplicare descrie rezultatele unei cercetări privind comportamentul la ardere al paielor de origine vegetală (miscanthus și repeseed) și al peletelor fabricate din acestea. Substanțele care au fost investigate sunt prezentate în figurile 2 și 3.

Paie de miscanthus, granule de miscanthus, paie de rapiță și granule de rapiță aranjate de la stânga la dreapta pentru analiza biomasei. — 2) paie de miscanthus, granule de miscanthus, paie de rapiță, granule de rapiță (de la stânga la dreapta)

Imagini la microscop care compară eșantioane și granule din paie de Miscanthus și rapiță, evidențiind textura și structura acestora. — 3) Imagine la microscopul optic a probelor investigate

Comportamentul de ardere al materialelor a fost investigat cu un NETZSCH STA 409 C. A fost utilizat un suport de probe DTA-TGA cu creuzete deschise din alumină; gazul de purjare a fost aer sintetic cu un debit de 80 ml/min. La o rată de încălzire de 20 K/min, reacțiile de ardere au fost finalizate la 600 °C (figurile 4 și 5).

Comparație a rezultatelor TG/DTA pentru paie și peleți de miscanthus, evidențiind punctele de temperatură specifice și procentele de masă de cenușă. — 4) Compararea rezultatelor TG/DTA pe paie de miscanthus și pelete de mscanthus

Compararea rezultatelor analizei termogravimetrice pentru paie de rapiță și pelete de rapiță, evidențiind diferențele de temperatură și masă de cenușă. — 5) Compararea rezultatelor TG/DTA ale paiului de rapiță și ale peleților de rapiță

Metoda DTA furnizează informații privind cantitatea de căldură generată și rata de generare a căldurii pentru reacția de combustie exotermă. Trebuie remarcat faptul că probele nepelletizate au prezentat o căldură de reacție mai mare (semnal DTA mai mare), chiar dacă profilul pierderii de masă a fost similar. Suprafața mai mare a materialului liber favorizează un proces de ardere mai eficient. În plus, probele de paie de rapiță au prezentat un comportament de ardere similar cu cel al probelor de miscanthus. Masa reziduală (conținutul de cenușă) corespunde componentelor minerale inerte ale instalațiilor energetice.

Determinarea porozității și a densității

Prin intermediul porosimetriei cu mercur (Porotec Pascal 140/440), au fost determinate porozitatea și densitatea probelor. Rezultatele sunt rezumate în tabelul 1. Figurile 6 și 7 ilustrează diferențele semnificative dintre cele două materiale și produsele lor prelucrate (pelete) în ceea ce privește porozitatea și densitatea lor relativă sau specifică. Proba de paie de rapiță se caracterizează printr-o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate mai mică și un volum al porilor considerabil mai mare decât proba de miscanthus (tabelul 1). Acest lucru favorizează în mod evident comportamentul la ardere, deoarece proba de paie de rapiță nepelletizată a prezentat o rată de ardere semnificativ mai mare la o temperatură considerabil mai scăzută decât proba de pelete din paie de rapiță (figura 5).

Tabelul 2: Compararea datelor analitice ale celor patru probe de biomasă

Proprietăți	Miscanthus	Pelete Miscanthus	Paie de rapiță	Pelete din semințe de rapiță
Porozitate totală [vol%]	67.01	9.82	64.15	15.96
Volumul porilor comulați [m²/g]	1366.0	70.0	2412.9	128.4
Suprafața specifică a probei [mm²/g]	16.87	6.64	3.64	7.75
Raza medie a porilor [μm]	6.545	0.393	1.019	0.817
^Densitate1 [kg/dm³]	0.49	1.40	0.27	1.24
DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. Densitate ^aparentă2 [^kg/dm3]	1.49	1.56	0.74	1.48

^1Densitate: Densitatea rețelei solide (inclusiv porii și spațiile goale interparticulare)
2Densitatea aparentă: Densitatea materialului, inclusiv porii închiși și neaccesibili

Grafic care compară volumele relative ale porilor peleților din Miscanthus și paie de rapiță la diferite raze ale porilor, evidențiind diferențele semnificative de porozitate. — 6) Volumul relativ al porilor

Grafic care prezintă volumul specific al porilor în funcție de raza porilor pentru materialele Miscanthus și Rape Straw, evidențiind valorile porozității. — 7) Volumul specific al porilor

Detectarea gazelor și analiza cinetică

Caracterizarea FT-IR a gazelor dezvoltate formate pe parcursul analizei termogravimetrice a arătat că gazele generate la vârful ratei de Reacția de descompunereO reacție de descompunere este o reacție indusă termic a unui compus chimic care formează produse solide și/sau gazoase. descompunere (la 515 °C) constau în principal din_CO2. Influențele condițiilor limită asupra ratei de reacție pot fi evitate în mare măsură dacă se utilizează un creuzet cu o bază plană și un debit de gaz suficient de mare (aici 160 ml/min oxigen). Acest lucru îndeplinește o cerință esențială pentru a supune datele obținute unei analize cinetice aprofundate. Analiza termocinetică a datelor termogravimetrice ale probei de pelete de miscanthus obținute la viteze de încălzire cuprinse între 1 și 5 K/min. a fost efectuată cu ajutorul programului NETZSCH Thermokinetics . S-a constatat că două reacții consecutive de ordinul al ^n-lea oferă cea mai bună potrivire cu datele experimentale, după cum se arată în figura 9.

grafic 3-D al rezultatelor TGA-FT-IR pentru proba de pelete de rapiță, evidențiind spectrul CO2 extras la 515°C (roșu) față de baza de date EPA. — 8) Rezultatele TGA-FT-IR pentru proba de pelete de rapiță (diagramă 3-D) și spectrul de CO2 extras la 515°C (roșu) comparativ cu spectrul de CO2 din baza de date EPA.

Graficul de evaluare cinetică a granulelor de miscanthus arată pierderea de masă în funcție de temperatură, cu parametrii de analiză afișați. — 9) Evaluarea cinetică a rezultatelor TGA ale probei de pelete de miscanthus (d:f; FnFn)

Concluzie

Aceste investigații termogravimetrice au arătat că prepararea probelor și condițiile de măsurare au o influență substanțială asupra rezultatelor. Se pot face comparații fiabile între diferite probe de centrale energetice în ceea ce privește comportamentul lor la ardere numai atunci când măsurătorile sunt efectuate pe probe de centrale cu DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate și geometrie de ambalare similare și în aceleași condiții de gaz de purjare (de exemplu, concentrația și debitul de oxigen).

Pentru investigarea comparativă a comportamentului de combustie al diferitelor instalații energetice, s-ar putea stabili că parametrii de măsurare, cum ar fi geometria eșantionului, cantitatea eșantionului, concentrația de oxigen a gazului de purjare, cantitatea de gaz de purjare, dar și dimensiunea părților instalației sau densitatea de ambalare a eșantioanelor au o importanță decisivă. Pentru a minimiza aceste influențe externe, toți parametrii de măsurare ai STA 409 C au fost ajustați astfel încât nicio influență măsurabilă a acestor condiții limită să nu poată afecta rezultatele. Numai în acest fel este posibilă realizarea unei analize termogravimetrice comparative, dar și evaluarea cinetică a datelor măsurate.

Deși miscanthus este atractiv ca sursă de energie datorită densității sale energetice ridicate, necesitatea cultivării speciale a acestei culturi îi reduce valoarea potențială. Rapița, pe de altă parte, este un subprodus ușor de obținut din producția de cereale și, de asemenea, o sursă bună de energie.