*Institutet för tillverkningsteknik för keramiska komponenter och kompositer, Stuttgarts universitet
Inledning
Förnybara råvaror har på senare tid blivit ett viktigt diskussionsämne på grund av den begränsade tillgången på fossila bränslen. Frågor om skördeutbyte, arealbehov och energiinnehåll står här i förgrunden. Jämfört med fossila bränslen påverkas förbränningsbeteendet hos förnybara råvaror i mycket högre grad av parametrar som klimatförhållanden, bearbetning av växtdelar, torkning och lagring - tillsammans med tillhörande fuktinnehåll - och är därför föremål för större naturliga variationer. Figur 1 visar en sammanställning av råvaror och de som kan klassificeras som biomassa och energianläggningar.
Energianläggningar
Om energianläggningar ska användas som ett alternativ till fossila bränslen måste inköpskostnaderna jämföras med skördeavkastningen. Exempelvis motsvarar 232 kg korn 100 liter eldningsolja i värmevärde [1] och är 41 euro billigare i kostnad baserat på marknadspriserna i september 2013. Om man antar en årlig förbrukning på 3 000 liter för uppvärmning av ett enfamiljshus i Tyskland skulle besparingen bli 1 200 euro per år. Eftersom jordbruksväxter, t.ex. olika typer av spannmål, endast behöver användas för energiproduktion om de är oätliga eller av låg kvalitet och därmed otjänliga som livsmedel, undersöks alternativa energianläggningar intensivt.
Med tanke på de stigande priserna på råolja, träpellets och annat erbjuder energianläggningar redan idag ett kostnadseffektivt alternativ. Medelpriser och värmevärden för halm, träpellets och eldningsolja jämförs i tabell 1 [2].
Tabell 1: Värmevärden och kostnader för olika energibärare
Pris | Uppvärmningsvärde | Kostnad / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Eldningsolja | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Träpellets | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Halm från gröda | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Som framgår av tabellen uppvägs det lägre värmevärdet för spannmålshalm av dess betydligt lägre anskaffningskostnader, vilket gör den mer ekonomisk än eldningsolja. Därför förtjänar jordbruksavfall som halm från spannmålsproduktion en närmare granskning som en alternativ energikälla tillsammans med andra energiväxter som växer lätt på nästan alla typer av jordar. Kinesiskt silvergräs (miscanthus sinensis) och miscanthus giganteus uppvisar också jämförelsevis höga värmevärden och låg Innehåll av askaAskan är ett mått på mineraloxidinnehållet på viktbasis. Termogravimetrisk analys (TGA) i en oxidativ atmosfär är en väl beprövad metod för att bestämma den oorganiska återstoden, vanligen kallad aska, i organiska material som polymerer, gummi etc. Därför kommer TGA-mätningen att Identify om ett material är fyllt och beräknar den totala fyllnadshalten.askhalt och är därför intressanta för vidare undersökningar. Även om miscanthus måste odlas särskilt för energianvändning, finns rapshalm tillgänglig som biprodukt från spannmålsproduktionen. Arealbegränsningar måste därför beaktas när man väger fördelarna med de två energikällorna mot varandra.
Termogravimetri
Metoden termogravimetri (TG) är särskilt lämpad för undersökning av förbränningsprocesser. Den möjliggör en snabb utvärdering av den termiska stabiliteten hos främst fasta bränslen. Mängden brännbart material (massförlust) och kvarvarande Innehåll av askaAskan är ett mått på mineraloxidinnehållet på viktbasis. Termogravimetrisk analys (TGA) i en oxidativ atmosfär är en väl beprövad metod för att bestämma den oorganiska återstoden, vanligen kallad aska, i organiska material som polymerer, gummi etc. Därför kommer TGA-mätningen att Identify om ett material är fyllt och beräknar den totala fyllnadshalten.askhalt (restprodukt) kan enkelt kvantifieras. Förbränningstemperaturen och reaktionshastigheten som analyseras med hjälp av programvaran NETZSCH Thermokinetics ger viktig kinetisk information om materialets förbränningsbeteende.
Både massförlusten under förbränningsreaktionen och den icke brännbara mineralaskans innehåll kan också kvantifieras. Till skillnad från andra reaktioner, t.ex. NedbrytningsreaktionEn sönderdelningsreaktion är en termiskt inducerad reaktion av en kemisk förening som bildar fasta och/eller gasformiga produkter. sönderdelning eller frigörande av fukt eller lösningsmedel, är förbränning en fast-gasreaktion. Parametrar som provyta, syrgaskoncentration i spolgasen och degelgeometri är därför av avgörande betydelse.
Dessa viktiga parametrar har optimerats i försök med NETZSCH STA 409 C för förbränning av energianläggningar.
Förbränningsbeteende
Denna applikation beskriver resultaten av en undersökning av förbränningsbeteendet hos växtbaserad halm (miscanthus och repeseed) och pellets tillverkade därav. De ämnen som undersöktes visas i figurerna 2 och 3.
Materialens förbränningsbeteende undersöktes med en NETZSCH STA 409 C. En DTA-TGA-provhållare med öppna aluminiumoxiddeglar användes; spolgasen var syntetisk luft med en flödeshastighet på 80 ml/min. Vid en uppvärmningshastighet på 20 K/min var förbränningsreaktionerna slutförda vid 600°C (figur 4 och 5).
DTA-metoden ger information om mängden värme som genereras och hastigheten på värmeproduktionen för den exotermiska förbränningsreaktionen. Det bör noteras att de icke-pelleterade proverna uppvisade en högre reaktionsvärme (större DTA-signal) även om massförlustprofilen var likartad. Den större ytan hos det lösa materialet främjar en effektivare förbränningsprocess. Dessutom uppvisade rapshalmproverna ett förbränningsbeteende som liknade det hos miscanthusproverna. Den kvarvarande massan (askhalten) motsvarar de inerta mineralkomponenterna i energianläggningarna.
Bestämning av porositet och densitet
Med hjälp av kvicksilverporosimetri (Porotec Pascal 140/440) bestämdes porositeten och densiteten hos proverna. Resultaten sammanfattas i tabell 1. Figurerna 6 och 7 illustrerar de betydande skillnaderna mellan de två materialen och deras bearbetade produkter (pellets) med avseende på porositet och deras relativa eller specifika TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet. Provet av rapshalm kännetecknas av en lägre TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet och en betydligt större porvolym än provet av miscanthus (tabell 1). Detta gynnar uppenbarligen förbränningsbeteendet eftersom det icke-pelleterade rapshalmprovet visade en betydligt högre förbränningshastighet vid en betydligt lägre temperatur än rapshalmpelletsprovet (figur 5).
Tabell 2: Jämförelse av analysdata för de fyra biomassaproverna
| Egenskaper | Miscanthus | Miscanthus pellets | Rapsfröhalm | Rapsfrö pellets |
|---|---|---|---|---|
| Total porositet [volymprocent] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Fördelad porvolym [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Specifik provyta [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Genomsnittlig porradie [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Densitet1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Skenbar densitet2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Densitet: Densitet hos det fasta nätverket (inklusive porer och interpartikulära hålrum)
2Apparent TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet: Materialets TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet inklusive slutna och icke åtkomliga porer
Gasdetektering och kinetisk analys
FT-IR-karakterisering av de utvecklade gaser som bildades under den termogravimetriska analysen visade att de gaser som genererades vid toppen av nedbrytningshastigheten (vid 515°C) huvudsakligen bestod avCO2. Gränsvillkorens inverkan på reaktionshastigheten kan i stor utsträckning undvikas om man använder en degel med plan botten och ett tillräckligt högt gasflöde (här 160 ml/min syrgas). Detta uppfyller ett avgörande krav för att de erhållna uppgifterna ska kunna underkastas en djupgående kinetisk analys. Termokinetisk analys av de termogravimetriska data från miscanthuspelletprovet som erhölls vid uppvärmningshastigheter mellan 1 och 5 K/min. utfördes med hjälp av programvaran NETZSCH Thermokinetics Två på varandra följande nionde ordningens reaktioner visade sig ge den bästa anpassningen till de experimentella data, vilket visas i figur 9.
Slutsats
Dessa termogravimetriska undersökningar visade att provberedning och mätförhållanden har ett betydande inflytande på resultaten. Tillförlitliga jämförelser mellan olika energianläggningsprover avseende deras förbränningsbeteende kan endast göras när mätningar utförs på anläggningsprover med liknande packningstäthet och geometri och under samma reningsgasförhållanden (dvs. syrekoncentration och flödeshastighet).
För jämförande undersökningar av förbränningsbeteendet hos olika energianläggningar kan det fastställas att mätparametrar som provgeometri, provmängd, syrgaskoncentration i spolgasen, spolgasmängd men även storleken på anläggningsdelarna eller förpackningstätheten hos proverna är av avgörande betydelse. För att minimera dessa yttre influenser har alla mätparametrar för STA 409 C justerats så att inga mätbara influenser från dessa randvillkor kan påverka resultaten. Endast på detta sätt är det möjligt att genomföra en jämförande termogravimetrisk analys men också en kinetisk utvärdering av mätdata.
Även om miscanthus är attraktiv som energikälla på grund av sin höga energitäthet, sänker behovet av specialodling av denna gröda dess potentiella värde. Rapsfrö är å andra sidan en biprodukt från spannmålsproduktionen som är lätt att få tag på och som också är en bra energikälla.