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 fosszilis szerves anyag
eredetű,
Technikai definíció: a fentiekből alapanyagként energiatermelésre és célokra használt ill. használható rész.
nem
megújuló vegyipari
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 CO2 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 CO2 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 10°C/min: open closed
70 60
80°C/min: open closed
50 40 30 20 10 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
Faszén öngyulladásának vizsgálata (EU LIFE projekt keretében, 2006) 160
120 100
a minta hőmérséklete
80
a környezet hőmérséklete
60
Hőmérséklet (°C)
Hőmérséklet (°C)
140
200
a minta hőmérséklete
180
a környezet hőmérséklete
160 140 120 100 80 60
40
40
20
20 0
40
80
120
Idő (perc)
160
200
0
10
20
30
40
Idő (perc)
25×25×25 mm-es faszénpor minták szabványos öngyulladási tesztje levegőben, 140°C-on 13
Faszén vízfelvételének vizsgálata 100
Szenzorok hőmérséklete (°C)
95 90 85 80 75
–– kemence fal
70
–– mintatartó mellett –– mintatartóban
65 60 55 50 200
400
600
800
1000 1200 1400
Idő (perc)
Száraz faszénpor melegedése vízgőz-adszorbció következtében 14
Faszénpor oxigén-kemiszorpciójának mérése (TGA berendezésben, EU LIFE projekt keretében, 2006) 0.30
0.30
8.03 0.25
0.25
0.10
7.82
0.05 0.00 50
100
150
200
Time [min]
Brazilian charcoal at 105°C Time span: 294 min Mass gain: 19 µg Average mass gain rate: 0.06 µg/min
250
300
Mass [mg]
Mass [mg]
0.15
8.02
0.20 0.15
8.01
0.10 8.00
Mass gain rate [µg/min]
0.20
Mass gain rate [µg/min]
7.83
0.05
7.99
0.00 50
100 150 200 250 300 350
400
Time [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)
3
0.6
-1
0.4
-dm/dt [s ] × 10
1.5
0.8
-1
-dm/dt [s ] × 10
3
2.0
(a) Top / 11 µm 5°C/min 100% O2 fit: 4.3%
1.0
0.5
(d) Demineralized / 9 µm 5°C/min 100% O2 fit: 4.4%
0.2
0.0
0.0 250
300
350
400
Temperature [°C]
450
300
350
400
450
500
550
600
Temperature [°C]
Számított és mért görbék, valamint az adott modell szerinti részfolyamatok, 5°C/min 16
Faszén égéskinetikájának TGA vizsgálata (magyar – amerikai együttműködésben)
0.20 400
0.15
350
0.10
300
0.05
3
600 550
0.15
500
-1
450
-dm/dt [s ] × 10
-1
-dm/dt [s ] × 10
0.20
Temperature [°C]
3
0.25
500
(d) Demineralized / 9 µm stepwise T(t) 100% O2 fit: 4.4%
450
0.10
400 0.05
350 300
0.00
0.00 20
40
60
80
100 120 140 min
Time [min]
Temperature [°C]
(a) Top / 11 µm stepwise T(t) 100% O2 fit: 3.7%
0.30
50
100
150
200 min
Time [min]
Számított és mért görbék, valamint az adott modell szerinti részfolyamatok lépcsős hőprogramok mellett 17
Faszén elgázosítása (magyar – norvég együttműködés, 2008) 4 3 2
(a) 5°C/min 50% CO2 fit: 5.0%
(b) 10°C/min 100% CO2 fit: 5.6%
10
Mass loss rate (%/min)
Mass loss rate (%/min)
5
C + CO2 = 2 CO
1 0
8 6 4 2 0
600
700
800
900
1000
600
700
Temperature (°C)
900
800
1 700
0
600 50
60
Time (min)
70
80
90
Mass loss rate (%/min)
4
2
40
1000
1000
(d) T(t) with steps 100% CO2 fit: 4.7%
900
3 800
2
1
Temperature (°C)
(c) T(t) with steps 50% CO2 fit: 3.9%
30
900
Temperature (°C)
Temperature (°C)
Mass loss rate (%/min)
3
800
700
0 30
40
50
60
Time (min)
70
80
18
Záró megjegyzések és konklúziók: Olyan kutatómunkát végeztünk (és végzünk), amely műszaki fejlesztéseket alapozott (és alapoz) meg. Eredményeink zömét publikáltuk. világban olvassák is, idézik is.
Publikációinkat
a
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
