Mechanické a energetické vlastnosti pelet z energetických travin

Derbenev Aleksandr¹

¹Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava

Úvod

Celosvětová poptávka po energii roste a přes rozvoj obnovitelných zdrojů zůstávají fosilní paliva hlavním zdrojem energie. Jejich omezená dostupnost a negativní dopady podporují přechod k obnovitelným řešením, kde významnou roli hraje bioenergie. Biomasa, ukládající sluneční energii ve formě chemické, může nahradit fosilní paliva a snížit emise. Zvlášť perspektivní jsou zemědělské energetické trávy s vysokou výnosností, rychlým růstem a odolností. K efektivnímu využití slouží peletizace, která zlepšuje manipulaci, skladování a spalování biomasy. Pro výzkum bylo vybráno šest druhů trav: festulolium (1a), kostřava rákosovitá (1b), srha laločnatá (1c), kostřava luční (1d), kostřava červená (1e) a jílek mnohokvětý (1f).

Obrázek 1.

Cíl

Cílem této práce je analyzovat vlastnosti pelet vyrobených z vybraných druhů energetických trav a zhodnotit vztahy a souvislosti mezi jejich mechanickými vlastnostmi a energetickými parametry. Získané výsledky mohou sloužit jako podklad pro optimalizaci technologie výroby pelet, výběr vhodných druhů trav pro energetické využití a jejich efektivnější uplatnění jako obnovitelného zdroje energie, stejně jako pro zlepšení kvality paliva z hlediska mechanických parametrů i energetické účinnosti.

Metody

Samotná peletizace byla provedena po předúpravě biomasy drcením na peletovacím lisu KL200C (STILER, výkon 9 kW). Materiál byl ručně podáván shora k rotujícím rolnám, které jej protlačovaly kanálky matrice. Výsledné pelety z festuloliumu (2a), kostřavy rákosovité (2b), srhy laločnaté (2c), kostřavy luční (2d), kostřavy červené (2e) a jílku mnohokvětého (2f) jsou zobrazeny na obrázku 2.

Obrázek 2.

Měrná hustota byla určena pomocí přístroje Mettler Toledo JEW-DNY-43 pracujícího na principu Archimédova zákonu – každá peleta byla nejprve zvážena na vzduchu a poté při ponoření do destilované vody o teplotě 27 °C, z rozdílu hmotností přístroj vypočetl výslednou hodnotu. Voděodolnost se zjišťovala zvážením pelet před a po jejich ponoření do vody o teplotě 27 °C na 60 sekund; rozdíl hmotností odpovídal procentu nasáknuté vody.

Tvrdost byla měřena na testeru Hercules L (KAHL), kde na vloženou peletu je působen příčný tlak až do prasknutí. Mechanická odolnost byla testována přístrojem HOLMEN NHP 100: odvážený vzorek se 60 s pohyboval v proudu vzduchu o tlaku 70 mBar, poté byl proséván a zvážen; výsledek byl vyjádřen jako Pellet Durability Index (poměr hmotnosti celých pelet před a po testu).

Analýza prvkového složení (C, H, N, S) proběhla v laboratořích Institutu Environmentálních Technologií (VŠB-TU Ostrava, CEET) na analyzátoru LECO CHN 628. Vzorky se spalovaly v oxidační atmosféře při 950 °C (C, H, N) a 1350 °C (S); obsah C, H a S byl detekován infračerveným senzorem, koncentrace N teplotně-vodivostním senzorem. Energetické parametry určovala termogravimetrická analýza na přístroji LECO TGA 701, která stanovila obsah vlhkosti, popela a hořlaviny. Spalné teplo bylo měřeno kalorimetrem LECO AC600 při spalování vzorku v oxidační atmosféře.

Výsledky

V této části budou v grafech a tabulkách pelety označeny takto: z festulolia jako F., ze srhy laločnaté jako S. L., z kostřavy rákosovité jako K. R., z kostřavy luční jako K. L., z kostřavy červené jako K. Č. a z jílku mnohokvětého jako J. M.Výsledky měření mechanické odolnosti jsou zobrazeny na grafu 1.

Graf 1.

Je zřejmé, že nejvyšší hodnotu PDI vykazují pelety z festuloliumu, zatímco nejnižší ze srhy laločnaté. Ostatní vzorky dosahují podobných výsledků. Měření tvrdosti pelet (graf 1) ukazuje stejný trend: nejvyšší hodnoty mají pelety z festuloliumu a nejnižší opět ze srhy laločnaté, přičemž ostatní druhy vykazují srovnatelné hodnoty.

Graf 2.

Test voděodolnosti (graf 2) potvrzuje obdobný průběh – nejlepších výsledků dosáhly pelety z festuloliumu a nejhorších ze srhy laločnaté.

Graf 3.

Ze srovnání sypné hustoty (graf 3) vyplývá, že většina vzorků má podobné hodnoty; výjimkou jsou pelety z jílku mnohokvětého s výrazně nižší sypnou hustotou, zatímco nejvyšší hodnotu vykazují pelety z kostřavy rákosovité. Měření měrné hustoty (graf 3) ukazuje, že nejvyšší hodnotu dosahují pelety z festuloliumu a nejnižší pelety ze srhy laločnaté. Výsledky měření mechanických vlastností pelet potvrzují, že jednotlivé vzorky energetických travin se výrazně liší především v mechanické odolnosti a voděodolnosti. Z hlediska těchto parametrů dosahovalo nejlepší hodnoty festulolium, které vykazovalo nejvyšší PDI, tvrdost, voděodolnost i měrnou hustotu, zatímco pelety ze srhy laločnaté měly ve všech ukazatelích nejnižší hodnoty. Z grafů je patrná souvislost mezi mechanickou odolností, tvrdostí a voděodolností pelet: čím jsou pelety odolnější vůči mechanickému namáhání a stlačení, tím lépe odolávají nasákavosti vody. Sypná hustota se mezi vzorky liší méně výrazně a nevykazuje přímou vazbu na ostatní mechanické vlastnosti. U měrné hustoty je však zřetelná přímá korelace s tvrdostí – čím je měrná hustota vyšší, tím je vyšší i tvrdost pelet.

Tabulka 1.

Výsledky elementárního rozboru pelet z energetických travin (tabulka 1) ukazují, že všechny sledované odrůdy mají velmi podobné chemické složení a liší se jen drobnými odchylkami. Nejvyšší obsah uhlíku, který přispívá k výhřevnosti, měla kostřava červená ‘Zulu’, zatímco nejnižší byl zaznamenán u festuloliumu ‘Hykor’. Obsah vodíku, jenž rovněž zvyšuje výhřevnost, byl nejvyšší u dvou vzorků – kostřavy červené a srhy laločnaté ‘Zora’ – a nejnižší u kostřavy rákosovité ‘Kora’. Největší zastoupení dusíku, který je z hlediska spalování nežádoucí, vykazovaly pelety z festuloliumu, zatímco nejnižší obsah měl vzorek z kostřavy červené. Podobný trend se projevil i u síry: nejvyšší obsah byl zjištěn u pelet z festuloliumu a nejnižší u kostřavy červené.

Tabulka 2.

Na základě výsledků měření energetických parametrů pelet (tabulka 2) lze konstatovat, že nejnižší obsah popela měly pelety z kostřavy červené ‘Zulu’, zatímco nejvyšší byl zjištěn u festuloliumu ‘Hykor’. Vyšší podíl prchavé hořlaviny byl naměřen u pelet z kostřavy červené a nižší u pelet z festuloliumu. Nejvyšší výhřevnost dosáhly pelety ze srhy laločnaté ‘Zora’, zatímco nejnižší měly pelety z festuloliumu. Chemické složení všech travin bylo sice podobné, avšak drobné odchylky významně ovlivnily energetické vlastnosti. Nejnižší výhřevnost byla zjištěna u pelet z festuloliumu, zatímco nejvyšší u pelet ze srhy laločnaté. Rozhodující se ukázal být vyšší podíl prchavé hořlaviny, který zvyšuje spalné teplo.

Při analýze vztahu mezi mechanickými vlastnostmi a energetickými parametry pelet lze pozorovat souvislost mezi obsahem popela a jejich voděodolností; pelety s vyšším podílem popela často vykazují vyšší odolnost vůči absorpci vody. Tato korelace je však převážně nepřímá a úzce souvisí s druhem použité suroviny, hustotou pelet a jejich mechanickou kvalitou. Obecně přitom platí, že pelety s nižším obsahem popela dosahují lepší mechanické odolnosti i vyšší odolnosti proti vodě.

Poděkování

Projekt č. SS07020061 „Výzkum procesů zahrnujících výrobu biopelet“ je spolufinancován se státní podporou Technologické agentury ČR v rámci programu Prostředí pro Život. Tento projekt je financován v rámci Národního plánu obnovy z evropského Nástroje pro oživení a odolnost. Tento článek je podpořen v rámci projektu „Odpady jako alternativní zdroj energie“, reg. číslo CZ.02.01.01/00/23_021/0008590 v rámci Operačního programu Jan Amos Komenský. Výsledky experimentální části této práce byly získány s využitím velké výzkumné infrastruktury ENREGAT, podporované MŠMT, č. projektu LM2018098.