*Seramik Bileşenler ve Kompozitlerin Üretim Teknolojileri Enstitüsü, Stuttgart Üniversitesi
Giriş
Fosil yakıtların sınırlı bulunabilirliği nedeniyle yenilenebilir hammaddeler son zamanlarda önemli bir tartışma konusu haline gelmiştir. Burada mahsul verimi, gerekli arazi miktarı ve enerji içeriği ile ilgili sorular ön plana çıkmaktadır. Fosil yakıtlarla karşılaştırıldığında, yenilenebilir hammaddelerin yanma davranışı iklim koşulları, bitki parçalarının işlenmesi, kurutulması ve depolanması gibi parametrelerden çok daha fazla etkilenir - ilgili nem içeriği ile birlikte - ve bu nedenle daha fazla doğal varyasyona tabidir. Şekil 1, biyokütle ve enerji bitkileri olarak sınıflandırılabilecek hammaddelerin bir derlemesini göstermektedir.
Enerji Santralleri
Enerji bitkileri fosil yakıtlara alternatif olarak kullanılacaksa, tedarik maliyetleri ürün verimiyle karşılaştırılmalıdır. Örneğin 232 kg arpa, ısıtma değeri olarak 100 litre kalorifer yakıtına eşdeğerdir [1] ve Eylül 2013 piyasa fiyatlarına göre 41 Euro daha ucuzdur. Almanya'da müstakil bir evin ısıtılması için yıllık tüketimin 3.000 litre olduğu varsayılırsa, tasarruf yılda 1.200 Euro olacaktır. Çeşitli tahıl türleri gibi tarımsal bitkilerin enerji üretimi için kullanılması ancak yenilebilir olmadıklarında veya düşük kalitede olduklarında ve dolayısıyla insan tüketimi için uygun olmadıklarında gerektiğinden, alternatif enerji tesisleri yoğun bir şekilde incelenmektedir.
Ham petrol, odun peletleri ve diğer enerji tesislerinin artan fiyatları göz önüne alındığında, enerji tesisleri halihazırda uygun maliyetli bir alternatif sunmaktadır. Mahsul samanı, odun peletleri ve kalorifer yakıtı için ortalama fiyatlar ve ısıtma değerleri tablo 1'de karşılaştırılmıştır [2].
Tablo 1: Farklı enerji taşıyıcılarının ısıl değerleri ve maliyetleri
Fiyat | Isıtma değeri | Maliyet / 1000 MJ | |
|---|---|---|---|
| Kalorifer yakıtı | 850 €/t | 35 MJ/l | 23.40 € |
| Odun peletleri | 220 €/t | 19 MJ/kg | 11.57 € |
| Ekin samanı | 110 €/t | 16 MJ/kg | 6.87 € |
Tablodan da görülebileceği gibi, mahsul samanının daha düşük ısıtma değeri, onu kalorifer yakıtından daha ekonomik kılan önemli ölçüde düşük edinim maliyetleriyle dengelenmektedir. Bu nedenle, tahıl üretiminden kaynaklanan saman gibi tarımsal atıklar, neredeyse her tür toprakta kolayca yetişen diğer enerji bitkileriyle birlikte alternatif bir enerji kaynağı olarak daha yakından incelenmeyi hak etmektedir. Çin gümüş otu (miscanthus sinensis) ve miscanthus giganteus da nispeten yüksek kalorifik değerler ve düşükKül İçeriğiKül, ağırlık bazında mineral oksit içeriğinin bir ölçüsüdür. Oksidatif atmosferde termogravimetrik analiz (TGA), polimerler, kauçuklar vb. gibi organik malzemelerde yaygın olarak kül olarak adlandırılan inorganik kalıntıyı belirlemek için kanıtlanmış bir yöntemdir. Bu nedenle, TGA ölçümü bir malzemenin dolgulu olup olmadığını belirleyecek ve toplam dolgu içeriğini hesaplayacaktır. kül içeriği sergiler ve bu nedenle daha fazla araştırma için ilgi çekicidir. Miscanthus'un enerji kullanımı için özellikle yetiştirilmesi gerekmesine rağmen, kolza samanı tahıl üretiminin yan ürünü olarak mevcuttur. Bu nedenle, iki enerji kaynağının faydaları tartılırken ekim alanı sınırlamaları göz önünde bulundurulmalıdır.
Termogravimetri
Termogravimetri (TG) yöntemi özellikle yanma süreçlerinin incelenmesi için uygundur. Özellikle katı yakıtların termal stabilitesinin hızlı bir şekilde değerlendirilmesini sağlar. Yanıcı madde miktarı (kütle kaybı) ve kalanKül İçeriğiKül, ağırlık bazında mineral oksit içeriğinin bir ölçüsüdür. Oksidatif atmosferde termogravimetrik analiz (TGA), polimerler, kauçuklar vb. gibi organik malzemelerde yaygın olarak kül olarak adlandırılan inorganik kalıntıyı belirlemek için kanıtlanmış bir yöntemdir. Bu nedenle, TGA ölçümü bir malzemenin dolgulu olup olmadığını belirleyecek ve toplam dolgu içeriğini hesaplayacaktır. kül içeriği (kalıntı) kolayca ölçülebilir. NETZSCH Thermokinetics yazılımı aracılığıyla analiz edilen yanma sıcaklığı ve reaksiyon hızı, malzemenin yanma davranışı hakkında önemli kinetik bilgiler verir.
Hem yanma reaksiyonu sırasındaki kütle kaybı hem de yanıcı olmayan mineralKül İçeriğiKül, ağırlık bazında mineral oksit içeriğinin bir ölçüsüdür. Oksidatif atmosferde termogravimetrik analiz (TGA), polimerler, kauçuklar vb. gibi organik malzemelerde yaygın olarak kül olarak adlandırılan inorganik kalıntıyı belirlemek için kanıtlanmış bir yöntemdir. Bu nedenle, TGA ölçümü bir malzemenin dolgulu olup olmadığını belirleyecek ve toplam dolgu içeriğini hesaplayacaktır. kül içeriği de ölçülebilir. Ayrışma veya nem ya da solvent salınımı gibi diğer reaksiyonların aksine, yanma bir katı-gaz reaksiyonudur. Bu nedenle numune yüzeyi, temizleme gazındaki oksijen konsantrasyonu ve kroze geometrisi gibi parametreler son derece önemlidir.
Bu önemli parametreler, enerji tesislerinin yakılması için NETZSCH STA 409 C kullanılarak yapılan deneylerde optimize edilmiştir.
Yanma Davranışı
Bu uygulama notu, bitki bazlı saman (miscanthus ve repeseed) ve bunlardan yapılan peletlerin yanma davranışına ilişkin bir araştırmanın sonuçlarını açıklamaktadır. İncelenen maddeler şekil 2 ve 3'te gösterilmiştir.
Malzemelerin yanma davranışı bir NETZSCH STA 409 C ile incelenmiştir. Açık alümina potalara sahip bir DTA-TGA numune tutucusu kullanılmıştır; boşaltma gazı 80 ml/dak akış hızına sahip sentetik havadır. Isıtma hızı 20 K/dak olduğunda, yanma reaksiyonları 600°C'ye kadar tamamlanmıştır (Şekil 4 ve 5).
DTA yöntemi, ekzotermal yanma reaksiyonu için üretilen ısı miktarı ve ısı üretim hızı hakkında bilgi verir. Kütle kaybı profili benzer olsa da, peletlenmemiş numunelerin daha yüksek bir reaksiyon ısısı (larger DTA sinyali) gösterdiğine dikkat edilmelidir. Gevşek malzemenin daha yüksek yüzey alanı daha verimli bir yanma sürecini desteklemektedir. Ayrıca, kolza samanı numuneleri miscanthus numunelerine benzer yanma davranışı sergilemiştir. Kalan kütle (kül içeriği) enerji tesislerinin inert mineral bileşenlerine karşılık gelmektedir.
Porozite ve Yoğunluk Tayini
Civa porozimetresi (Porotec Pascal 140/440) ile numunelerin porozitesi ve yoğunluğu belirlenmiştir. Sonuçlar tablo 1'de özetlenmiştir. Şekil 6 ve 7, iki malzeme ve bunların işlenmiş ürünleri (peletler) arasında gözeneklilik ve bağıl veya özgül YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk açısından önemli farklılıkları göstermektedir. Kolza samanı örneği, miscanthus örneğine göre daha düşük YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk ve önemli ölçüde larger gözenek hacmi ile karakterize edilir (tablo 1). Bu durum açıkça yanma davranışını desteklemektedir çünkü peletlenmemiş kolza samanı örneği, kolza samanı pelet örneğine göre oldukça düşük bir sıcaklıkta önemli ölçüde daha yüksek bir yanma oranı göstermiştir (Şekil 5).
Tablo 2: Dört biyokütle örneğinin analitik verilerinin karşılaştırılması
| Özellikler | Miscanthus | Miscanthus peletleri | Kolza tohumu samanı | Kolza tohumu peletleri |
|---|---|---|---|---|
| Toplam gözeneklilik [vol%] | 67.01 | 9.82 | 64.15 | 15.96 |
| Ortak gözenek hacmi [m²/g] | 1366.0 | 70.0 | 2412.9 | 128.4 |
| Spesifik örnek yüzeyi [mm²/g] | 16.87 | 6.64 | 3.64 | 7.75 |
| Ortalama gözenek yarıçapı [μm] | 6.545 | 0.393 | 1.019 | 0.817 |
| Yoğunluk1 [kg/dm³] | 0.49 | 1.40 | 0.27 | 1.24 |
| Görünür yoğunluk2 [kg/dm3] | 1.49 | 1.56 | 0.74 | 1.48 |
1Yoğunluk: Katı ağın yoğunluğu (gözenekler ve partiküller arası boşluk dahil)
2Görünür YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk: Kapalı ve erişilemeyen gözenekler dahil olmak üzere malzemenin yoğunluğu
Gaz Algılama ve Kinetik Analiz
Termogravimetrik analiz süresince oluşan evrimleşmiş gazların FT-IR karakterizasyonu, Ayrışma reaksiyonuBir ayrışma reaksiyonu, katı ve/veya gaz ürünler oluşturan kimyasal bir bileşiğin termal olarak indüklenen bir reaksiyonudur. ayrışma hızındaki tepe noktasında (515°C'de) oluşan gazların esas olarakCO2'den oluştuğunu ortaya koymuştur. Düzlemsel tabanlı bir kroze ve yeterince yüksek bir gaz akış hızı (burada 160 ml/dak oksijen) kullanılırsa, reaksiyon hızına sınır koşul etkilerinden büyük ölçüde kaçınılabilir. Bu, elde edilen verilerin derinlemesine bir kinetik analize tabi tutulması için çok önemli bir gerekliliği yerine getirmektedir. Miscanthus pelet numunesinden 1 ila 5 K/dak. arasındaki ısıtma hızlarında elde edilen termogravimetrik verilerin termokinetik analizi NETZSCH Thermokinetics yazılımı yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Şekil 9'da gösterildiği gibi, deneysel verilere en iyi uyumu sağlayan iki ardışık n. dereceden reaksiyon bulunmuştur.
Sonuç
Bu termogravimetrik incelemeler, numune hazırlama ve ölçüm koşullarının sonuçlar üzerinde önemli bir etkisi olduğunu göstermiştir. Farklı enerji santrali numuneleri arasında yanma davranışlarına ilişkin güvenilir karşılaştırmalar ancak ölçümler benzer paketleme yoğunluğu ve geometrisine sahip santral numuneleri üzerinde ve aynı temizleme gazı koşulları (yani, oksijen konsantrasyonu ve akış hızı) altında gerçekleştirildiğinde yapılabilir.
Farklı enerji tesislerinin yanma davranışlarının karşılaştırmalı olarak incelenmesi için numune geometrisi, numune miktarı, tasfiye gazının oksijen konsantrasyonu, tasfiye gazı miktarının yanı sıra tesis parçalarının boyutu veya numunelerin ambalaj yoğunluğu gibi ölçüm parametrelerinin belirleyici öneme sahip olduğu tespit edilebilir. Bu dış etkileri en aza indirmek için STA 409 C'nin tüm ölçüm parametreleri, bu sınır koşullarının ölçülebilir hiçbir etkisinin sonuçları etkilemeyeceği şekilde ayarlanmıştır. Ancak bu şekilde karşılaştırmalı termogravimetrik analizin yanı sıra ölçüm verilerinin kinetik değerlendirmesini de gerçekleştirmek mümkündür.
Miscanthus yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle bir enerji kaynağı olarak cazip olsa da, bu ürünün özel yetiştirme ihtiyacı potansiyel değerini düşürmektedir. Öte yandan kolza tohumu, tahıl üretiminin kolayca elde edilebilen bir yan ürünüdür ve aynı zamanda iyi bir enerji kaynağıdır.