4.2: Біомаса

Last updated
Save as PDF

Page ID: 31731

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

4.2 Біомаса

Існує чотири типи ресурсів біомаси, які можуть бути використані: 1) сільськогосподарські залишки, 2) енергетичні культури, 3) залишки лісового господарства та 4) відходи переробки. Приклади різних джерел наведені нижче:

Сільськогосподарські залишки:

Кукурудзяна грудка
Пшенична солома
Рисова соломка
Стебло сої

Енергетичні культури:

Перемикач трави
Солодке сорго
Цукрові тростини
Водорості
Рогоз
Ряска

Залишки лісового господарства:

Пила пил
Деревні чіпси

Відходи переробки:

Відходи харчової промисловості
Відходи тваринного походження
Тверді побутові відходи

Як вже було сказано, більшість біомаси принаймні частково складається з трьох компонентів: целюлози, геміцелюлози та лігніну. На малюнку 4.2a показана діаграма лігноцелюлози, а на малюнку 4.2b показана біомаса, розбита на три частини. Буде значно більше дискусій щодо складу біомаси на майбутніх уроках. Целюлоза - це кристалічний полімер кільцевих молекул (6 вуглеців) з OH і COOH групами (на рис. 4.2a целюлоза - прямі зелені лінії; на малюнку 4.2b - зелена молекула). Геміцелюлоза схожа, але має кільцеві молекули з вуглецями 5 і 6, і є аморфною в структурах, як показано на малюнку 4.2a чорною хиткою лінією; на малюнку 4.2b показано, як вона навколо целюлози і більш детально молекулярна структура. Лігнін - це матеріал, який тримає все це разом і є світло-блакитною лінією на малюнку 4.2a; він червоним кольором у 4.2b.

Виглядає як бутерброд. Лігнін - зовнішній шар хліба. Всередині знаходяться плоскі ряди целюлози та всередині карликів, маркованих геміцелю — Малюнок 4.2a: Діаграма лігноцелюлози.

*Кредит: Lignocellulose.jpg: з МікробВікі*

Зображення складних хімічних структур геміцелюлози, целюлози та лігніну — Малюнок 4.2b: Хімія біомаси, розбита на частини.

*Кредит: Lignocellulose_structure.png: з МікробВікі*

Як визначити властивості біомаси

Існує чотири загальні способи вимірювання властивостей будь-якого вуглецевого продукту, який також буде використовуватися для біомаси: 1) безпосередній аналіз, 2) кінцевий аналіз, 3) теплота згоряння та 4) аналіз золи.

Орієнтовний аналіз

Проксимний аналіз - це широке вимірювання для визначення вмісту вологи (M), вмісту летких речовин (VM), фіксованого вмісту вуглецю (FC) та вмісту золи. Це все робиться на масовій основі, як правило, і робиться в так званому проксимальному аналізаторі - аналізатор просто вимірює втрати маси при певних температурах. Волога відганяється при ~ 105-110° C (трохи вище температури кипіння води); вона являє собою лише фізично пов'язану воду. Летючі речовини відганяються в інертній атмосфері при 950° C, використовуючи повільну швидкість нагрівання. Зольність визначають шляхом взяття матеріалу, що залишився (після втрати ВМ) і спалювання його при температурі вище 700°С в кисні. Фіксований вуглець потім визначається різницею: ФК = 1 — М — Зола — ВМ.

Нижче наведено приклад безпосереднього аналізу лігніну, який входить до складу деревини та/або трав, насамперед:

Вологість (мас.%): 5,34
Зола (мас.%): 14,05
Летючі речовини (мас.%): 60,86
FC=100−M (%) −A (%) −VM (%) FC=100−M%−A%−VM%
FC=100−5.34−14.05−60.86=19.75FC=100−5.34−14.05−60.86=19.75

Іноді вміст вологи буде видалятися з ВМ і зольний вміст, на сухій основі:

FC=100−M (%) −A (% сухий) −VM (%сухий) FC = 100−м%−a% сухий −VM%сухий
FC=100−14.05−60.86=25.09FC=100−14.05−60.86=25.09

Остаточний аналіз

Кінцевий аналіз більш специфічний тим, що він аналізує елементний склад органічної частини матеріалів. Склади вуглецю (С), водню (H), азоту (N), сірки (S) і кисню (O) визначаються на масовій процентній основі і можуть бути перетворені в атомарну основу. У деяких випадках буде аналізуватися і хлор (Cl). Існують прилади, які призначені для вимірювання лише відсотків маси C H N, а потім інший для вимірювання відсотків S; прилад спалює матеріал і вимірює продукти згоряння. Нижче наведено прикладну задачу визначення молекулярного атомного складу біомаси при наданні кінцевого аналізу. Кисень зазвичай визначається різницею. Вода може перекрутити результати водню і повинна бути врахована.

Ваша черга

Проблема 1:

Кінцевий аналіз показує, що вміст C, H, O, N та S у матеріалі біомаси становить 51,9%, 5,5%, 41,5%, 0,8% та 0,3% на сухій основі. Яка хімічна формула цієї біомаси? Скільки кілограмів повітря потрібно для повного згоряння 1 кг цієї біомаси? Результати наведені нижче.

Наведені нижче приклади обчислення завдання 1, хімічної формули біомаси, коли задано масовий відсоток на сухій основі. Якщо ви знаєте відсоток елементарної маси зразка, ви можете розділити на молекулярну масу, щоб визначити атомне значення кожного елемента. Значення в таблиці потім ділять на атомний номер вуглецю для нормалізації молекули. Отже, на кожен вуглець у вас є 1,26 атома водню, 0,6 атома кисню і т.д.

Таблиця 4.1: Завдання 1 Розрахунки

Маса% (1/МВт) = х	Цінності
С=51.9 (\(\frac{1}{12.011}\))	(\(\frac{4.32}{4.32}\)) =1
Н=5,5 (\(\frac{1}{1.0079}\))	(\(\frac{5.46}{4.32}\)) = 1,260
О=41.05 (\(\frac{1}{15.9994}\))	(\(\frac{2.59}{4.32}\)) = 0,600
N = 0,8 (\(\frac{1}{14.0067}\))	(\(\frac{0.06}{4.32}\)) = 0,013
S = 0,3 (\(\frac{1}{32.06}\))	(\(\frac{0.01}{4.32}\)) = 0,002

теплота згоряння

Теплоту згоряння можна виміряти безпосередньо за допомогою калориметра бомби. Цей прилад використовується для вимірювання теплотворної здатності на масу (калорія/грам або BTU/LB). Його також можна оцінити за допомогою різних формул, які обчислюють його на основі остаточного або наближення аналізу. Поширеним типом калориметра є ізоперибол калориметр, який буде містити тепло всередині сорочки, але буде вмістити зміну температури води у відрі; див. Рисунок 4.3 для схеми. Зразок поміщають у тигель, який поміщають всередину реактора з киснем високого тиску. Зразок підключений до запобіжника і електричних проводів, які будуть запалювати зразок, все, що міститься в реакторі (іноді називають калориметром бомби). Температура води у відрі вимірюється до і після розпалу, а з усіма іншими каліброваними частинами питома теплота води і зміна температури використовуються для визначення теплоти згоряння.

схема ізоперибольного калориметра, див. Текстовий опис нижче

Теплоздатність визначається в калориметрі бомби. Показники нагріву повідомляються як на вологому, так і на сухому паливному базах. Для високої теплоти (HHV) величину можна визначити, нормалізувавши вологу в рідкому вигляді. Для низької теплоти (LHV) частина теплоти згоряння використовується для випаровування вологи.

Аналіз золи

Мінерали в матеріалі, після згоряння, перетворюються в золу. Золу можна проаналізувати на специфічні сполуки, які будуть містити кисень, такі як CaO, K ₂ _{O, Na 2} O, MgO, SiO ₂_{, Fe 2} O ₃, P ₂ O ₅, SO ₃ та Cl. Вихідні мінерали також можна виміряти. Після виділення мінералу або золи його часто потрібно розчиняти в різних кислотах, а потім проаналізувати. Є й інші прилади, але аналіз досить складний і не часто робиться.

Насипна щільність також визначається для біомаси як властивість. Зазвичай його визначають шляхом вимірювання ваги матеріалу на одиницю об'єму. Зазвичай його визначають на основі сухої ваги (без вологи) або на основі як отримано з наявним вмістом вологи. Для біомаси низькі значення (соломка зерна і стружка) становлять 150-200 кг/м3 (0,15-0,20 г/см3), а високі значення (тверда деревина) - 600-900 кг/м3 (0,60-0,90 г/см3). Для визначення щільності енергії використовується теплотворна величина і насипна щільність. На малюнку 4.4 показано порівняння різних джерел біомаси з джерелами викопного палива на основі маси щільності енергії.

Малюнок 4.4: Щільність енергії декількох матеріалів на масовій основі, порівнюючи викопне паливо з паливом з біомасою.

*Кредит: Брюс Міллер, старший науковий співробітник, Інститут енергетики EMS, ПГУ*

Багато характеристик палива, про які ми обговорювали, повинні бути відомі для правильного використання біомаси при спалюванні, газифікації та іншій хімії реакцій.