Biomassza anyagok hasznosítása termikus módszerekkel Czégény Zsuzsanna Anyag- és Környezetkémiai Intézet Megújuló Energia csoport XI. Budapest, Magyar tudósok körútja 2.
Biomassza anyagok hasznosítása termikus módszerekkel Biomassza Pirolízis (450-500 C) Szenes maradék Folyékony termék Gáz
Biomassza anyagok hasznosítása termikus módszerekkel Biomassza Pirolízis (450-500 C) Szenes maradék Folyékony termék Gáz Katalitikus átalakítás Katalitikus pirolízis Motorhajtóanyag
Biomassza anyagok hasznosítása termikus módszerekkel Biomassza Torrefaction (200-300 C) Pirolízis (450-500 C) Hőkezelt biomassza Szenes maradék Folyékony termék Gáz Katalitikus átalakítás Katalitikus pirolízis Motorhajtóanyag
Torrefaction Alacsony hőmérsékletű hőkezelés (200-300 C) inert atmoszféra Nagyobb fajlagos energiatartalom Ellenálló a biodegradációval szemben Csökkent térfogat, jobb tárolhatóság Könnyen aprítható, őrölhető Nagyobb fajlagos faszén tartalom Különböző alapanyagokból hasonló tulajdonságú anyagok
Biomassza anyagok hasznosítása termikus módszerekkel lignocellulóz Extrahálható anyagok (pl: gyanta, csersavak, zsírsavak, illóolajok) cellulóz ásványi anyagok lignin hemicellulóz
Alkalmazott módszerek Klason-lignin és szénhidrát tartalom meghatározása Savas hidrolízis: Első fázis: 25 C, 120 perc, 72 w/w% H2SO4 Második fázis: 121 C, 60 perc, 2.5 w/w% H2SO4 A felülúszó cukortartalmának meghatározása folyadékkromatográfiás (HPLC) módszerrel Klason-lignin = savban oldhatatlan maradék savban oldhatatlan hamu Hidrolizált minták HPLC Glükóz Mannóz + Galaktóz
Alkalmazott módszerek Termogravimetria/tömegspektrometria (TG/MS) Atmoszféra: Argon Minta mennyiség: ~ 4 mg tömegspektrométer: Hiden HAL 2/PIC T ( C) T termomérleg: Modified Perkin Elmer TGS-2 t (min) TG DTG
Alkalmazott módszerek Pirolízis-gázkromatográfia/tömegspektrometria(Py-GC/MS) pirolizáló Atmoszféra: Hélium Minta mennyiség: ~ 0.4 mg pirolízis kamra He minta ionforrás multiplier MS vent GC turbomolekuláris pumpa CH2 Intensity T ( C) T t (s) CH3COOH CH OH OCH3 CH2 O O CHO OH O OH OCH3 HO OH 5 10 15 20 25 Time (min)
Torrefaction Hőkezelt minták összetételének változása Akác Repceszalma Búzaszalma Tömegveszteség a hőkezelés alatt Egyéb (savoldható lignin, extrahálhatók, savoldható szervetlen anyag) Klason lignin (hemicellulóz) Glucan (cellulóz) kezeletlen kezeletlen kezeletlen (m/m%) Si K + Na + Ca 2+ Mg 2+ Akác * N. D. 0.12 * N. D. 0.085 0.017 Repceszalma 0.03 1.86 0.072 0.503 0.158 Búzaszalma 1.07 1.69 0.008 0.137 0.077
Torrefaction Kezeletlen és hőkezelt akác és repceszalma minták TG és DTG görbéi
Torrefaction Lucfenyő (picea abies): kéreg, fa belső és tönk Kezeletlen minták összetétele Egyéb (extraktum, sav oldható lignin és sav oldható ásványok) Kéreg Tönk Fa belső Mannán+Galaktán (hemicellulóz) Glukán (főleg cellulóz) Fenyő Lombozat Törzs Kéreg Élő ágak Tönk Fa belső Kéreg Klason-lignin Elhalt ágak Tönk Gyökér > 1cm (Repola 2008 and 2009)
Torrefaction Lucfenyő (picea abies): kéreg, fa belső és tönk Kezeletlen minták összetétele Egyéb (extraktum, sav oldható lignin és sav oldható ásványok) Mannán+Galaktán (hemicellulóz) Glukán (főleg cellulóz) -dm/dt (%/s) m (%) Kéreg Fa belső Tönk 0.35 0.30 80 70 60 0.25 50 0.20 40 0.15 30 0.10 20 0.05 10 0.00 200 300 400 500 600 700 800 T ( c) Tönk Fa belső Kéreg Klason-lignin 100 Fa belső Kéreg Tönk 0 900
-dm/dt (%/s) kezeletlen 80 0.35 70 0.30 0.25 0.20 m (%) 60 Hemicellulóz 50 40 0.15 30 0.10 20 0.05 10 0.00 100 200 300 400 500 600 700 800 225 C, 30 min kéreg 70 0.30 0.20 m (%) 80 0.35 0.25 fa belső 0 900 T ( c) -dm/dt (%/s) Kéreg Fa belső Tönk 60 Hemicellulóz 50 40 0.15 30 0.10 20 0.05 10 0.00 100 200 300 400 500 600 700 800 0 900 tönk T ( C) -dm/dt (%/s) 225 C, 60 min 80 0.35 70 0.30 0.25 0.20 m (%) 60 Hemicellulóz 50 40 0.15 30 0.10 20 0.05 10 0.00 100 200 300 400 500 T ( C) 600 700 800 0 900 Cellulóz Hemicellulóz Klason lignin (%)
Torrefaction Összefoglalás 275 C-os hőkezelés (1 óra) során a magas alkáliion tartalmú növények/növényi részek (lágyszárúak,kéreg )cellulóz tartalma lényegesen degradálódik, míg a fa minták esetén lényegesen nem bomlik A cellulózzal ellentétben a hemicellulóz bomlását nem katalizálja az alkáliion tartalom. 225 C-os hőkezelés során a hemicellulóz savcsoportjai lehasadnak, de fő tömege lényegesen nem degradálódik 225 és 275 C-os hőkezelések esetén a tartási idő nem módosítja jelentősen a minta összetételét, míg 300 C-on a cellulóz erőteljes bomlása miatt a hőkezelés időtartama meghatározó. Hőkezelés fő előnyei: Könnyebben őrölhető Nagyobb energiasűrűség Olcsóbban szállítható, tárolható
Köszönetnyilvánítás MTA TTK AKI Barta-Rajnai Eszter Pekkerné Jakab Emma Sebestyén Zoltán Várhegyi Gábor Babos Gábor SINTEF Energy Research, Trondheim, Norvégia Øyvind Skreiberg Liang Wang Norwegian University of Science and Technology Trondheim, Norvégia Morten Grønli NKFIH TÉT_13_DST-1-2014-0003
Torrefaction Sample Solid yield (%) Proximate analysis (% m/m, as received) Elemanalízis (% m/m, dry basis) HHV (MJ kg -1 ) MC VM Ash FC C H O Akác BL U 100 6.08 77.85 1.75 14.32 48.10 4.74 45.41 18.17 BL 225 87 3.25 76.87 1.91 17.97 50.59 3.45 44.05 19.35 BL 250 79 3.23 69.79 2.16 24.82 52.77 4.39 40.68 20.38 BL 275 68 3.42 65.83 2.92 27.83 53.05 8.59 35.44 21.61 BL 300 49 3.78 56.34 4.2 35.68 60.65 8.30 26.85 27.87 Repceszalma RS U 100 7.16 71.16 6.04 15.64 46.3 5.46 42.2 17.68 RS 225 85 4.62 68.99 6.36 20.02 47.23 5.22 41.19 18.84 RS 250 76 4.11 66.01 7.26 22.62 48.86 5.79 38.09 20.21 RS 275 61 4.57 53.61 9.36 32.46 52.38 5.14 33.12 22.46 RS 300 47 3.76 40.73 11.84 43.67 60.84 4.81 22.51 25.08 Búzaszalma WS U 100 5.58 70.55 5.68 18.19 49.38 4.23 41.04 17.87 WS 225 89 3.68 69.69 5.80 20.83 47.68 4.10 42.42 18.48 WS 250 80 3.48 66.20 6.92 23.40 48.49 6.62 38.11 19.15 WS 275 60 3.53 54.84 9.28 32.34 56.12 4.63 29.97 21.73 WS 300 44 2.37 38.12 12.52 46.98 62.28 4.83 20.37 26.42
Hollandia