*Институт технологий производства керамических компонентов и композитов, Университет Штутгарта
Введение
Возобновляемое сырье в последнее время стало одной из главных тем для обсуждения из-за ограниченности ископаемого топлива. На первый план выходят вопросы об урожайности, количестве необходимых площадей и содержании энергии. По сравнению с ископаемым топливом, на процесс горения возобновляемого сырья гораздо большее влияние оказывают такие параметры, как климатические условия, обработка, сушка и хранение растительных частей, а также связанное с этим содержание влаги, и поэтому оно подвержено большим природным колебаниям. На рисунке 1 показана подборка сырья и материалов, которые можно отнести к биомассе и энергетическим установкам.
Энергетические заводы
Если энергетические установки должны использоваться в качестве альтернативы ископаемому топливу, необходимо сопоставить затраты на закупку с урожайностью. Например, 232 кг ячменя по теплотворной способности эквивалентны 100 литрам печного топлива [1] и дешевле на 41 евро, если исходить из рыночных цен сентября 2013 года. При годовом потреблении 3 000 литров для отопления отдельного дома в Германии экономия составит 1 200 евро в год. Поскольку сельскохозяйственные растения, например, различные виды зерновых, необходимо использовать для производства энергии только в том случае, если они несъедобны или имеют низкое качество и, следовательно, непригодны для потребления человеком, в настоящее время активно изучаются альтернативные источники энергии.
В связи с ростом цен на сырую нефть, древесные гранулы и другие энергоустановки уже предлагают экономически эффективную альтернативу. Средние цены и теплотворная способность соломы, древесных гранул и мазута сравниваются в таблице 1 [2].
Таблица 1: Теплотворная способность и стоимость различных энергоносителей
Цена | Теплотворная способность | Стоимость / 1000 МДж | |
|---|---|---|---|
| Печное топливо | 850 €/t | 35 МДж/л | 23.40 € |
| Древесные гранулы | 220 €/t | 19 МДж/кг | 11.57 € |
| Солома сельскохозяйственных культур | 110 €/t | 16 МДж/кг | 6.87 € |
Как видно из таблицы, более низкая теплотворная способность соломы компенсируется значительно меньшими затратами на ее приобретение, что делает ее более экономичной по сравнению с мазутом. Таким образом, сельскохозяйственные отходы, такие как солома зерновых культур, заслуживают более пристального внимания в качестве альтернативного источника энергии наряду с другими энергетическими растениями, которые легко растут практически на всех типах почв. Китайская серебристая трава (Miscanthus sinensis) и Miscanthus giganteus также демонстрируют сравнительно высокую теплотворную способность и низкое содержание золы и поэтому представляют интерес для дальнейшего изучения. Хотя мискантус необходимо выращивать специально для использования в энергетических целях, рапсовая солома доступна в качестве побочного продукта при производстве зерна. Поэтому при оценке преимуществ этих двух источников энергии необходимо учитывать ограничения по площадям.
Термогравиметрия
Метод термогравиметрии (ТГ) особенно хорошо подходит для исследования процессов горения. Он позволяет быстро оценить термическую стабильность преимущественно твердого топлива. Количество горючего материала (потеря массы) и оставшаяся зольность (остаток) легко определяются количественно. Температура горения и скорость реакции, проанализированные с помощью программного обеспечения NETZSCH Thermokinetics , дают важную кинетическую информацию о поведении материала при горении.
Также можно количественно определить потерю массы во время реакции горения и содержание негорючей минеральной золы. В отличие от других реакций, таких как разложение или выделение влаги или растворителей, горение - это твердогазовая реакция. Поэтому такие параметры, как поверхность образца, концентрация кислорода в продувочном газе и геометрия тигля, имеют решающее значение.
Эти важные параметры были оптимизированы в ходе экспериментов с использованием NETZSCH STA 409 C для сжигания энергетических установок.
Поведение при горении
В данной инструкции по применению описаны результаты исследования поведения при горении соломы растительного происхождения (мискантуса и репса) и изготовленных из нее пеллет. Исследуемые вещества представлены на рисунках 2 и 3.
Поведение материалов при горении исследовалось на NETZSCH STA 409 C. Использовался держатель образцов ДТА-ТГА с открытыми алюминиевыми тиглями; продувочным газом служил синтетический воздух со скоростью потока 80 мл/мин. При скорости нагрева 20 К/мин реакции горения завершались к 600°C (рис. 4 и 5).
Метод ДТА позволяет получить информацию о количестве выделяемого тепла и скорости тепловыделения при экзотермической реакции горения. Следует отметить, что негранулированные образцы показали более высокую теплоту реакции (larger сигнал ДТА), несмотря на то, что профиль потери массы был аналогичным. Большая площадь поверхности сыпучего материала способствует более эффективному процессу горения. Более того, образцы рапсовой соломы демонстрировали поведение при сгорании, аналогичное образцам мискантуса. Остаточная масса (зольность) соответствует инертным минеральным компонентам энергетических установок.
Определение пористости и плотности
С помощью ртутной порозиметрии (Porotec Pascal 140/440) были определены пористость и плотность образцов. Результаты сведены в таблицу 1. На рисунках 6 и 7 показаны значительные различия между двумя материалами и продуктами их переработки (гранулами) в отношении пористости и относительной или удельной плотности. largeОбразец рапсовой соломы характеризуется меньшей плотностью и значительно большим объемом пор, чем образец мискантуса (таблица 1). Это, очевидно, благоприятствует процессу горения, поскольку негранулированный образец рапсовой соломы показал значительно более высокую скорость горения при значительно более низкой температуре, чем образец гранул из рапсовой соломы (рис. 5).
Таблица 2: Сравнение аналитических данных четырех образцов биомассы
| Свойства | Мискантус | Гранулы мискантуса | Рапсовая солома | Рапсовые гранулы |
|---|---|---|---|---|
| Общая пористость [об%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Объем пор [м²/г] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Удельная поверхность образца [мм²/г] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Средний радиус пор [мкм] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Плотность1 [кг/дм³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Кажущаяся плотность2 [кг/дм3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Плотность: Плотность твердой сети (включая поры и межчастичное полое пространство)
2Кажущаяся плотность: Плотность материала, включая закрытые и недоступные поры
Обнаружение газов и кинетический анализ
ИК-Фурье характеристика выделяющихся газов, образующихся в ходе термогравиметрического анализа, показала, что газы, образующиеся на пике скорости разложения (при 515°C), состоят в основном изCO2. Влияния граничных условий на скорость реакции можно в значительной степени избежать, если использовать тигель с плоским основанием и достаточно высокую скорость потока газа (в данном случае 160 мл/мин кислорода). Это удовлетворяет важнейшему требованию, позволяющему подвергнуть полученные данные углубленному кинетическому анализу. Термокинетический анализ термогравиметрических данных образца гранул мискантуса, полученных при скоростях нагрева от 1 до 5 К/мин., был проведен с помощью программы NETZSCH Thermokinetics . Было обнаружено, что две последовательные реакции n-го порядка лучше всего соответствуют экспериментальным данным, как показано на рисунке 9.
Заключение
Эти термогравиметрические исследования показали, что подготовка образцов и условия измерений оказывают существенное влияние на результаты. Надежные сравнения между различными образцами энергетических установок в отношении их поведения при горении могут быть выполнены только в том случае, если измерения проводятся на образцах установок с аналогичной плотностью и геометрией упаковки и при одинаковых условиях продувочного газа (т.е. концентрации кислорода и скорости потока).
Для сравнительного исследования поведения при сгорании различных энергетических установок можно определить, что решающее значение имеют такие параметры измерения, как геометрия образца, количество образца, концентрация кислорода в продувочном газе, количество продувочного газа, а также размер частей установки или плотность упаковки образцов. Чтобы свести к минимуму эти внешние воздействия, все параметры измерения STA 409 C были настроены таким образом, что никакое измеримое влияние этих граничных условий не может повлиять на результаты. Только таким образом можно провести сравнительный термогравиметрический анализ, а также кинетическую оценку данных измерений.
Хотя мискантус привлекателен в качестве источника энергии благодаря своей высокой плотности энергии, необходимость специального выращивания этой культуры снижает ее потенциальную ценность. Рапс, с другой стороны, является легкодоступным побочным продуктом производства зерновых и также хорошим источником энергии.