MTA Kémiai Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézet Budapest II. Pusztaszeri út 59-67 Faszenek és biokarbonok A biomassza hasznosítás lehetőségei Várhegyi Gábor, Jakab Emma, Szabó Piroska, Mészáros Erika, Michael J. Antal Jr. 1
Biomassza: Biológiai definíció: természetes eredetű, nem fosszilis szerves anyag Technikai definíció: a fentiekből megújuló alapanyagként energiatermelésre és vegyipari célokra használt ill. használható rész. A felhasznált biomassza zöme (valamint a rendelkezésre álló biomassza zöme is) növényi eredetű. Az előadásban csak ezekkel foglalkozunk. 2
A biomassza alapú energiatermelés az egyik eszköz a széndioxid-emisszió csökkentésére. Természetesen nem oldhatja meg az emberiség energiaellátással és széndioxid-emisszióval kapcsolatos gondjait, csak mérsékelheti. További járulékos előnyei is vannak: az energiaimporttól való függés némileg csökken, parlagon maradó földek hasznosítása, munkahelyteremtés, stb. 3
A biomassza alapú energiatermelés összesített CO 2 mérlege függ a biomassza termelésének és felhasználásának módjától is. Biztosan kedvezőtlen akkor, ha évenkénti talajművelés szükséges ha sok műtrágyára van szükség ha csak a szemtermést hasznosítjuk ha a biomassza feldolgozásának komoly épület és/vagy energiaigényei vannak (pl. erjesztés mérsékelt égövi országokban) ha magas a biomassza szállításának az energiaigénye... 4
A faszén: Egy régi termék új szerepekben Lignocellulóz jellegű hulladékokból, melléktermékekből és termékekből gyártható ott, ahol ezek képződnek vagy termelik őket Elérhető, hogy az alapanyag energiatartalmának a zöme a faszénbe kerüljön Modern, környezetbarát technológiával, melynek elterjedése természetesen attól is függ, hogy mennyibe kerül az alapanyag. (Ha olcsó, akkor nyilván nem éri meg a nagyobb befektetési igényt az, hogy kevesebb alapanyagot használunk fel ugyanannyi termékhez) Jelenleg főleg sütésre, főzésre használják a faszenet de vannak más, perspektivikusabb alkalmazási lehetőségei is. 5
A faszén potenciális alkalmazási lehetőségei Metallurgia: a jó faszén tisztább, mint az ásványi eredetű kokszok többsége (nagyolvasztókba persze nem alkalmas) Talajjavítás és CO 2 megkötés (Terra Preta = fekete föld) Az indiánok javították faszénnel a földeket az Amazonas mentén. Ahova a faszenet bedolgozták, az még 700 év elteltével is sokkal jobb termőföld. A bedolgozott szén nagyrésze ma is ott van (a föld fekete és jóltermő). Elvileg lehetséges olyan tüzelőanyag-cella kifejlesztése, amely faszénből készült biokarbon oxidációjával (elégetésével) termel áramot. A faszén igen alkalmas elgázosításra, mivel más anyagokhoz képest tiszta (nem képződik belőle kátrány, elhanyagolható a kén tartalma, stb.) és igen reaktív. 6
A továbbiakban pár képet mutatunk be amerikai együttműködő partnerünk fejlesztőmunkájából Michael J. Antal, Jr, Hawaii Natural Energy Institute University of Hawaii (Ezek a képek copyright okok miatt hiányoznak az előadás internetes változatából) Ezután következik majd saját, alapkutatás jellegű munkánk bemutatása néhány kiválasztott példával. 7
Mi a fenti fejlesztéseket megalapozó alap-kutatásokban vettünk részt, nagyobb részben amerikai együttműködő partnerünkkel, kisebb részben más nemzetközi kooperációban. A faszénképződéshez vezető reakciók pontosabb megismerése és a magas faszénkihozatalhoz vezető körülmények felismerése A legnagyobb biomassza komponens a cellulóz, melyből a faszénkihozatal a kutatásainkban meghatározott szempontok szerint 4 és 40% között változhat A képződő nagykitermelésű faszenek olyan tulajdonságainak felderítése, amelyek alkalmazhatóságukat, tárolhatóságukat, szállíthatóságukat befolyásolják. 8
1988: Kisméretű (1 mg körüli) cellulóz minta hőbomlása nyitott és zárt mintatartóban lassú (, - - -) és gyorsabb (, - - -) felfűtésnél. m (%) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 10 C/min: open closed 80 C/min: open closed 0 275 300 325 350 375 400 425 C 9
1993: Cellulóz minta felfűtése hermetikusan zárt mintatartóban 5 C/perc sebességgel. (5-10 mg minta + 0-2 mg víz) Rate of heat release (mw/mg) 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 250 260 270 280 290 300 310 C 10
1988 1994 között 7 cikket közöltünk a cellulóz hőbomlásának tisztázásáról, melyeket két további cikkben összefoglaltunk: Antal, M. J., Jr.; Várhegyi, G.: Cellulose pyrolysis kinetics: The current state of knowledge. Ind. Eng. Chem. Res. 1995, 34, 703-717. Várhegyi, G.; Antal, M. J., Jr.; Jakab, E., Szabó, P.: Kinetic modeling of biomass pyrolysis. J. Anal. Appl. Pyrolysis 1997, 42, 73-87. Az 1995-ös most a 10. legidézettebb cikk az Ind. Eng. Chem. Res. honlapján mind az összes idézetek számát tekintve, mind pedig az utolsó 3 év idézeteit tekintve. (Kb. 20 000 műszaki kémiai témájú cikk közül.) Az 1997-es cikk a 3. legidézettebb mű volt a J. Anal. Appl. Pyrolysis honlapján idén nyáron (amikor utoljára közöltek ott ilyen listát). 11
A biomassza hőbomlás mellett a képződő faszenek tulajdonságait és alkalmazhatóságát is vizsgáltuk. Egy, a Duferco Italia által vezetett konzorcium EU LIFE projektben vizsgálta a nagykitermelésű faszén erőművi alkalmazásának lehetőségeit (2005-2007). (Mit tesz Isten, a faszén erőműben nem gazdaságos ) Ebben az EU projektben mi a faszén öngyulladási tulajdonságait vizsgáltuk, mivel azok a szállítást is, és a tárolást is drágítják. 12
Hőmérséklet ( C) Faszén öngyulladásának vizsgálata (EU LIFE projekt keretében, 2006) Hőmérséklet ( C) 160 140 120 100 80 60 40 140 a minta hőmérséklete 120 100 a környezet hőmérséklete 80 60 40 200 a minta hőmérséklete 180 a környezet hőmérséklete 160 20 0 40 80 120 160 200 Idő (perc) 20 0 10 20 30 40 Idő (perc) 25 25 25 mm-es faszénpor minták szabványos öngyulladási tesztje levegőben, 140 C-on 13
Szenzorok hőmérséklete ( C) Faszén vízfelvételének vizsgálata 100 95 90 85 80 75 70 65 60 kemence fal mintatartó mellett mintatartóban 55 50 200 400 600 800 1000 1200 1400 Idő (perc) Száraz faszénpor melegedése vízgőz-adszorbció következtében 14
Mass [mg] Faszénpor oxigén-kemiszorpciójának mérése (TGA berendezésben, EU LIFE projekt keretében, 2006) Mass gain rate [µg/min] Mass [mg] Mass gain rate [µg/min] 0.30 0.30 7.83 0.25 8.03 0.25 0.20 8.02 0.20 0.15 8.01 0.15 7.82 0.10 0.05 8.00 0.10 0.05 0.00 50 100 150 200 250 300 7.99 50 100 150 200 250 300 350 400 0.00 Time [min] Time [min] Brazilian charcoal at 105 C Time span: 294 min Mass gain: 19 µg Average mass gain rate: 0.06 µg/min Eucalyptus run 39 charcoal at 105 C Time span: 415 min Mass gain: 45 µg Average mass gain rate: 0.11 µg/min 15
Faszén égéskinetikájának TGA vizsgálata (magyar amerikai együttműködésben, 2006) 2.0 1.5 (a) Top / 11 µm 5 C/min 100% O 2 fit: 4.3% 0.8 0.6 (d) Demineralized / 9 µm 5 C/min 100% O 2 fit: 4.4% -dm/dt [s -1 ] 10 3 1.0 -dm/dt [s -1 ] 10 3 0.4 0.5 0.2 0.0 250 300 350 400 450 0.0 300 350 400 450 500 550 600 Temperature [ C] Temperature [ C] Számított és mért görbék, valamint az adott modell szerinti részfolyamatok, 5 C/min 16
Faszén égéskinetikájának TGA vizsgálata (magyar amerikai együttműködésben) Temperature [ C] Temperature [ C] -dm/dt [s -1 ] 10 3 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 (a) Top / 11 µm stepwise T(t) 100% O 2 fit: 3.7% 500 450 400 350 -dm/dt [s -1 ] 10 3 0.20 0.15 0.10 (d) Demineralized / 9 µm stepwise T(t) 100% O 2 fit: 4.4% 600 550 500 450 400 0.05 300 0.05 350 0.00 20 40 60 80 100 120 140 min 0.00 50 100 150 200 min 300 Time [min] Time [min] Számított és mért görbék, valamint az adott modell szerinti részfolyamatok lépcsős hőprogramok mellett 17
Mass loss rate (%/min) Mass loss rate (%/min) Temperature ( C) Mass loss rate (%/min) Mass loss rate (%/min) Temperature ( C) Faszén elgázosítása (magyar norvég együttműködés, 2008) 5 4 3 2 (a) 5 C/min 50% CO 2 fit: 5.0% C + CO 2 = 2 CO 10 8 6 4 (b) 10 C/min 100% CO 2 fit: 5.6% 1 2 0 0 600 700 800 900 1000 600 700 800 900 1000 3 2 (c) T(t) with steps 50% CO 2 fit: 3.9% Temperature ( C) 900 4 3 (d) T(t) with steps 100% CO 2 fit: 4.7% Temperature ( C) 1000 900 800 2 800 1 700 1 700 0 30 40 50 60 70 80 90 Time (min) 600 0 30 40 50 60 70 80 Time (min) 18
Záró megjegyzések és konklúziók: Olyan kutatómunkát végeztünk (és végzünk), amely műszaki fejlesztéseket alapozott (és alapoz) meg. Eredményeink zömét publikáltuk. Publikációinkat a világban olvassák is, idézik is. Mintegy 60 biomasszával kapcsolatos közleményben voltunk szerző/társzerzők és ezeket eddig körülbelül 2000 alkalommal idézték. De a hazai K+F projektekhez eddig nem találtuk meg az utat. (Pontosabban azokhoz nem, amelyek támogatást nyertek.) Ezen változtatni szeretnénk. 19
Köszönöm a szíves figyelmet 20