Measurement of Fixed Carbon, Volatile Matter, and Ash of Biocoke

Význam tématu

Biokoksy představují obnovitelnou pevnou palivovou alternativu k fosilním palivům s potenciálem snížit čisté emise CO2 a umožnit dlouhodobé skladování a snadnou manipulaci paliva. Analýza složení (vlhkost, těkavé látky, pevné uhlíky a popel) a spalovacích vlastností je klíčová pro posouzení kvality biokoksu, jeho vhodnosti pro průmyslové pece a kotle a pro optimalizaci výrobních podmínek.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem článku bylo demonstrovat využití simultánní termogravimetrie s diferenční termickou analýzou (TG-DTA) na přístroji Shimadzu DTG-60 pro:

• stanovení podílu těkavých látek, pevného uhlíku a popela v biokoksu vyrobeném z odpadu dřeva a pohankových slupek,
• hodnocení spalovacích charakteristik (pyrolýza, uvolňování těkavých frakcí, spalování uhlíku) během řízeného ohřevu v atmosféře vzduchu nebo dusíku/ostatní vzduch),
• ilustraci výhod simultánního měření TG a DTA/DrTG pro získání hmotnostních i tepelných dějů současně.

Použitá metodika a instrumentace

Vzorky biokoksu byly rozdrceny a prosétny tak, aby výsledný prášek byl menší než 250 µm. Analýzy probíhaly na přístroji DTG-60 s následujícími podmínkami:

• hmotnost vzorku ~8 mg (přesně 8,00–8,37 mg podle měření),
• rychlost ohřevu: 10 °C·min⁻¹,
• rozsah teplot: pro spalovací chování 30–700 °C v atmosféře vzduchu; pro proximate analýzu (vlhkost, těkavé látky, pevný uhlík, popel) 30–1000 °C s počáteční inertní atmosférou (N2) následovanou přepnutím na vzduch při 900 °C,
• simultánní záznam TG, DTA a derivační křivky DrTG pro identifikaci průběhu hmotnostních poklesů a endo/exotermických dějů.

Specifická instrumentace uvedená v textu:

• Shimadzu DTG-60 (simultánní TG/DTA),
• softwarové prostředí LabSolutions TA (práce s daty termální analýzy) – uvedeno jako související produkt.

Hlavní výsledky a diskuse

TG-DTA měření odhalila u obou biokoksů tři úseky hmotnostních ztrát:

• do ~120 °C: odpaření volné a vázané vlhkosti (endotermní děj),
• cca 250–400 °C: uvolňování a spalování těkavých látek / pyrolýza (výrazná hmotnostní ztráta a exotermické špičky na DTA),
• nad ~400 °C: povrchové a postupné spalování zbylého pevného uhlíku až do přepnutí atmosféry a zbytkového popela.

Výsledné kvantitativní složení na suché bázi (dle JIS M 8812) bylo:

• Biokoks z odpadu dřeva: těkavé látky 62,8 %, pevný uhlík 17,8 %, popel 19,4 %.
• Biokoks z pohankových slupek: těkavé látky 78,4 %, pevný uhlík 19,6 %, popel 2,0 %.

Diskuse zdůrazňuje, že rozdílné podíly druhého a třetího kroku hmotnostní ztráty odrážejí variabilitu suroviny; např. vyšší podíl popela u dřevního biokoksu snižuje energetickou hodnotu a ovlivní technologii spalování. DrTG křivky a DTA poskytují informace o teplotách začátku a konce spalovacích dějů; z textu vyplývá, že výška DrTG píků koreluje s reaktivitou a vyšší teploty píků signalizují nižší reaktivitu materiálu.

Přínosy a praktické využití metody

Simultánní TG-DTA nabízí komplexní pohled na termální chování biokoksů a umožňuje:

• rychlé stanovení proximate parametrů (vlhkost, těkavé látky, pevný uhlík, popel) podle platných metrologických postupů,
• posouzení teplotních rozmezí uvolňování těkavých složek a spalování uhlíku, což pomáhá optimalizovat spalovací podmínky v kotlích a pecích,
• porovnání kvality různých surovin a výrobních receptur biokoksu pro účely kontroly kvality a vývoje produktu.

Budoucí trendy a možnosti využití

Možnosti rozvoje analýzy biokoksů zahrnují:

• integraci TG-DTA s analyzátory uvolněných plynů (např. TG-MS nebo TG-FTIR) pro identifikaci a kvantifikaci pyrolyzních a spalovacích plynů,
• pokročilou kinetickou analýzu a modelování pro predikci chování směsí biomasy při různých podmínkách zpracování a spalování,
• standardizaci metodiky pro certifikaci kvality biokoksu a tvorbu technických norem,
• využití dat TG-DTA v optimalizaci výrobních parametrů (tlak, teplota, doba) za účelem cíleného řízení obsahu pevného uhlíku a popela.

Závěr

Studie demonstrovala, že TG-DTA na přístroji DTG-60 je efektivní nástroj pro simultánní analýzu spalovacích charakteristik i kvantitativního rozboru biokoksů. Metoda umožňuje identifikovat klíčové termální děje (odpařování vlhkosti, pyrolýzu těkavých složek, spalování uhlíku) a přesně odhadnout podíly těkavých látek, pevného uhlíku a popela. Tyto informace jsou zásadní pro hodnocení kvality paliva, návrh spalovacích procesů a porovnávání různých surovin nebo směsí.

Reference

1. Ida T., Namba K., Sano H. A Study of Thermal Analyses and Fundamental Combustion Characteristics for Thermal Utility with Biomass Volatile Matter. J. High Temp. Soc., 2007, Vol. 33, No. 1.
2. Yamada A. Fry-drying of wood biomass fuel. J. For. Prod. Res. Inst., No. 548, 2021.
3. Ghetti P., Ricca L., Angelini L. Thermal analysis of biomass and corresponding pyrolysis products. Fuel, Vol. 75, No. 5, 1996.