DIPLOMSKO DELO

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI

NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA

DIPLOMSKO DELO

ALJA BENČINA

LJUBLJANA 2021

(2)

UNIVERZA V LJUBLJANI

NARAVOSLOVNOTEHNIŠKA FAKULTETA ODDELEK ZA MATERIALE IN METALURGIJO

KURILNOST LESA IN LESNIH PELET

DIPLOMSKO DELO

ALJA BENČINA

LJUBLJANA, september 2021

(3)

UNIVERSITY OF LJUBLJANA

FACULTY OF NATURAL SCIENCES AND ENGINEERING DEPARTMENT OF MATERIALS AND METALLURGY

NET CALORIFIC VALUE OF WOOD AND WOOD PELLETS

DIPLOMA WORK

ALJA BENČINA

LJUBLJANA, September 2021

(4)

IV PODATKI O DIPLOMSKEM DELU

Število listov: 47 Število strani: 36 Število slik: 17

Število preglednic: 21 Število literaturnih virov: 16 Število prilog: 0

Študijski program: Univerzitetni študijski program prve stopnje Inženirstvo materialov

Komisija za zagovor diplomskega dela:

Predsednik: prof. dr. Peter Fajfar Mentor: prof. dr. Borut Kosec Član: doc. dr. Blaž Karpe

Ljubljana, ………:

(5)

V ZAHVALA

Iskreno se zahvaljujem prof. dr. Borutu Koscu za ponujeno literaturo in pomoč pri pisanju diplomskega dela. Prav tako se iskreno zahvaljujem tehnični sodelavki Mariji Ribič Berdajs za pomoč pri opravljanju praktičnega dela ter analizi. Zahvalila bi se tudi svoji družini, ki mi je omogočila brezskrben študij in oporo. Na koncu bi se zahvalila še vsem prijateljem, ki so mi bili v podporo pri celotnem študiju.

(6)

VI IZVLEČEK V SLOVENSKEM JEZIKU

Uporaba obnovljivih virov energije je zelo pomembna. Zato je treba raziskovati kateri viri so najbolj učinkoviti. Eden izmed najbolj učinkovitih virov je lesna biomasa, kar so tudi lesni peleti. V zadnjih letih se njihova uporaba povečuje. Glavni razlog za to gre iskati v tem, da so peleti narejeni iz obnovljivega vira, ki ga ima Slovenija v izobilju.

Diplomsko delo se osredotoča na les in lesne pelete. Opisane so tehnološke faze proizvodnje lesnih pelet, njihovo zgorevanje, veljavni standardi in njihove zahteve.

Predstavljena je kalorimetrija in kalorimeter C200 IKA, s katerim določamo kurilnost oziroma zgorevalno toploto trdih in tekočih goriv. Podrobneje so opisane tudi njegove tri avtomatske metode merjenja.

V sklopu praktičnega dela diplomske naloge je opravljena primerjava povprečnih rezultatov treh posameznih avtomatskih metod merjenja. Narejena je analiza lesa in lesnih pelet. Izbrali smo dve vrsti lesa in tri vrste pelet. Analizirali smo delež pepela, vsebnost higrovlage in zgorevalno toploto. Po opravljeni analizi smo pelete razvrstili v kakovostne razrede.

Ključne besede: kurilnost, zgorevalna toplota, lesni peleti, les, kalorimeter, obnovljivi viri energije

(7)

VII ABSTRACT

The use of renewable energy sources is very important. Therefore, all the resources that are most effective should be used. One of the most effective sources is wood biomass, which is also wood pellets. In recent years, their use has increased. The main reason for this is that the pellets are made from a renewable source, which Slovenia has in abundance.

The thesis focuses on wood and wood pellets. The technological stages of wood pellet production, their combustion, applicable standards and their requirements are described. Calorimetry and calorimeter C200 IKA are

presented, which determine the calorific value or combustion heat of solid and liquid fuels. Its three automatic measurement methods are also described in more detail.

As part of the practical part of the diploma thesis, a comparison of the average results of three individual automatic measurement methods is performed. An analysis of wood and wood pellets was made. We chose two types of wood and three types of pellets. We analyzed the ash content, hygrohumid content and combustion heat. After the analysis, the pellets were classified into quality classes.

Key words: lower calorific value, higher calorific value, wood pellets, wood, calorimeter, renewable energy resource

(8)

VIII VSEBINSKO KAZALO

1. UVOD ... 1

2. TEORETIČNI DEL ... 2

2.1 BIOMASA ... 2

2.2 PROIZVODNJAPELET ... 3

2.2.1 Surovine za proizvodnjo pelet ... 3

2.2.2 Predobdelava surovin ... 4

2.2.3 Peletizacija ... 6

2.2.4 Naknadna obdelava proizvedenih peletov ... 7

2.3 ZGOREVANJELESNEBIOMASE ... 8

2.4 KAKOVOSTPELETOV ... 9

2.5 KALORIMETRIJA ... 10

2.6 KALORIMETRSKISISTEMIKAC200 ... 13

2.6.1 Avtomatske metode meritev ... 14

2.6.2 Postopek uporabe kalorimetrskega sistema IKA C200 ... 14

2.6.3 Osnovni deli kalorimetrskega sistema IKA C200 in IKA kalorimetrske posode. 16 3. EKSPERIMENTALNI DEL ... 18

3.1 DOLOČEVANJEPEPELA ... 18

3.2 DOLOČEVANJEHIGROVLAGEVSUŠILNIKU ... 19

3.3 DOLOČEVANJEZGOREVALNETOPLOTE ... 20

4. REZULTATI IN DISKUSIJA ... 21

4.1 AVTOMATSKEMETODEKALORIMETRSKIHMERITEV ... 21

4.2 ANALIZAVZORCEVPELET ... 22

4.2.1 Rezultati določevanja pepela v vzorcih pelet ... 23

4.2.2 Rezultati določevanja higrovlage v vzorcih pelet... 24

4.2.3 Rezultati določevanja zgorevalne toplote vzorcev pelet ... 26

4.3 ANALIZALESA ... 28

4.3.1 Rezultati določevanja deleža pepela v vzorcih lesa ... 30

4.3.2 Rezultati določevanja deleža higrovlage v vzorcih lesa ... 31

4.3.3 Rezultati določevanja zgorevalne toplote vzorcev lesa ... 32

5. ZAKLJUČKI ... 34

6. LITERATURNI VIRI ... 35

(9)

IX SEZNAM SLIK

Slika 1: Osnovni deli drobilca [12]. ... 5

Slika 2: Princip delovanja in osnovni deli mlina z obročastimi matricami [12]. ... 7

Slika 3: Tri faze zgorevanja lesne biomase: segrevanje, sušenje in piroliza (levo), oksidacija plinov (sredina) in oksidacija oglja (desno) [1]. ... 9

Slika 4: Osnovni deli poenostavljenega kalorimetra, [5] ... 11

Slika 5: Poenostavljen diferenčni kalorimeter [5]. ... 13

Slika 6: Kalorimetrski sistem IKA C200. ... 16

Slika 7: Kalorimetrska posoda z glavnimi deli [10]. ... 17

Slika 8: Retortna peč z vzorci pelet v keramičnih lončkih. ... 18

Slika 9: Vzorci pelet. ... 22

Slika 10: Nepopolna in popolna upepelitev vzorca pelet. ... 23

Slika 11: Vzorci pelet v sušilniku ... 25

Slika 12: Diagram spremembe temperature v odvisnosti od časa za drugo meritev vzorca 1. 27 Slika 13: Vzorec bukve v različnih oblikah... 29

Slika 14: Vzorec smreke v različnih oblikah. ... 29

Slika 15: Vzorci lesa pred in po zgorevanju v peči. ... 30

Slika 16: Vzorci lesa v eksikatorju. ... 31

Slika 17: Smrekov les in pravilno vstavljen vzorček smreke v talilni lonček. ... 32

(10)

X SEZNAM PREGLEDNIC

Tabela 1: Območja nasičenosti z vlakni, [11] ... 5

Tabela 2: Sestava različnih vrst lesa [1] ... 8

Tabela 3: Kakovostni razredi pelet po standardu SIST EN ISO 17225-2 [13] ... 10

Tabela 4: Rezultati meritev isoperibolične metode ... 21

Tabela 5: Rezultati meritev dinamične metode ... 21

Tabela 6: Rezultati meritev metode časovnega nadzora ... 22

Tabela 7: Delež pepela v vzorcu 1... 23

Tabela 10: Delež hrigrovlage v vzorcu 1... 25

Tabela 11: Delež higrovlage v vzorcu 2 ... 25

Tabela 13: Zgorevalna toplota vzorca 1 ... 27

(11)

XI SEZNAM OKRAJŠAV IN POSEBNIH SIMBOLOV

ck specifična toplota CO2 ogljikov dioksid H2O voda

Hi kurilnost

Hs zgorevalna toplota kg kilogram

kWh kilovatna ura l liter

m masa

m³ kubični meter mm milimeter n množina O2 kisik q toplota

R plinska konsanta

RDS relativni standardni odklon T temperatura

ΔH sprememba entalpije η izkoristek

λ presežek zraka ξ korekcijski faktor

°C stopinje Celzija

(12)

1

1. UVOD

Živimo v času, ko postaja uporaba obnovljivih virov energije vedno bolj in bolj pomembna.

Zato je treba raziskovati kateri obnovljivi viri so najbolj učinkoviti. Pri tem moramo upoštevati dostopnost virov, njihovo stopnjo obnovljivosti, ostanke pri uporabi in količino energije, ki jo vir med uporabo odda.

V okviru diplomskega dela smo se osredotočili na obnovljive vire za toplotno oskrbo.

Osredotočili smo se na biogoriva in predstavili lesne pelete. Opisali smo tehnološke faze proizvodnje lesnih pelet, njihovo zgorevanje, veljavne standarde in njihove zahteve. Predstavili smo kalorimetrijo ter kalorimeter C200 IKA in njegove tri različne metode meritev.

Pri praktičnem delu diplomske naloge smo analizirali tri različne vzorce pelet in dve vrsti lesa.

Opisali smo postopke določevanja pomembnih parametrov. Med seboj smo primerjali tri različne avtomatske metode meritev kalorimetra C200 IKA. Izmerili ter med seboj primerjali smo delež pepela, higrovlage ter zgorevalno toploto, ki je najpomembnejši energetski parameter.

(13)

2

2. TEORETIČNI DEL

2.1 BIOMASA

Biomasa oziroma biogorivo označuje vse bioenergijske vire, torej snovi biološkega izvora.

Izraz biomasa označuje trdna goriva. Izraz biogorivo pa se uporablja za tekoča ali plinasta goriva, ki jih dobimo iz biomase [1].

V strukturi svetovne oskrbe z energijo biomasa zajema 14 odstotkov in je najpomembnejši nefosilni, obnovljivi vir energije. V nekaterih državah v razvoju je biomasa primarni vir energije, kar bi bilo idealno za ves svet. Velik vpliv na oskrbo z energijo iz biomase imajo naravne danosti. V Evropi je to zelo razvidno, saj imajo nekatere države veliko poraščenost z gozdovi, druge pa manjšo. V nekaterih skandinavskih in alpskih državah je delež biomase v primarni oskrbi z energijo skoraj 20 odstoten, evropsko povprečje pa znaša le od 2 do 5 odstotkov. V Sloveniji je delež biomase v primarni oskrbi z energijo 32 odstoten. Pri tem skoraj izključno uporabljamo lesno biomaso [5, 8].

Kot vsako gorivo, ima tudi biomasa svoje prednosti in slabosti. Prednosti energije pridobljene iz biomase so [8]:

• prispevanje k čiščenju gozdov,

• zmanjšane emisije CO2,

• zmanjšanje uvozne odvisnosti,

• zagotovljen razvoj podeželja,

• enostavno shranjevanje,

• biogoriva so biorazgradljiva in netoksična,

• dolgoročni potencial vira energije, obnovljivost.

Slabosti energije pridobljene iz biomase pa so:

• draga tehnologija za izrabo biomase/biogoriv,

• pomanjkanje organizacij za logistiko biogoriv,

• manj površin za pridelavo hrane,

• podražitev cen hrane.

Glede na naštete prednosti in slabosti lahko sklepamo, da bi se morali bolj osredotočiti na pridobivanje energije iz obnovljivih virov, kot je biomasa. V diplomskem delu se bomo osredotočili na lesno biomaso.

Lesna biomasa zajema gozdne ostanke, ostanke pri industrijski predelavi lesa in kemično neobdelan les. Gozdni ostanki so posledica nege mladih gozdov, rednih in sanitarnih sečenj.

Ob teh opravilih dobimo gozdne ostanke kot so na primer vejevje, krošnje, debla majhnih

(14)

3 premerov in manj kakovosten les, ki ni primeren za nadaljnjo industrijsko obdelavo in uporabo.

Pri industrijski predelavi lesa ostajajo žaganje, krajniki, lubje in prah. Med kemično neobdelan les pa uvrščamo izdelke, ki jih uporabljajo pri kmetijskih dejavnostih, kot sta na primer sadjarjenje in vinogradništvo. To so gajbice, palete in odslužen gradben les [1].

Izraz pelet pomeni »majhna okrogla masa snovi«. Pelet je običajno majhna okrogla masa iz stisnjenega materiala, sferične ali valjaste oblike. Po navadi se o peletih govori v množini, saj se jih uporablja kot večji del materiala, ne pa vsakega posebej. Zato bodo v nadaljevanju pisani v množinski obliki. Peleti so trdno biogorivo z nizko vsebnostjo vlage, visoko energijsko gostoto in homogeno velikostjo in obliko. Za energetsko uporabo so narejeni iz lesa, šote, zelene biomase, ostankov pri predelavi lesa ali iz odsluženega gradbenega lesa. Razlikujemo lahko med belimi, rjavimi in črnimi peleti. Beli so narejeni iz žagovine ali ostružkov. Rjavi peleti so narejeni iz lesa in lubja. Črni pa so proizvedeni iz eksplodirane lesne kaše ali toriranega lesa [12].

2.2 PROIZVODNJA PELET

Postopki v dejanskem obratu za peletiranje se lahko razlikujejo od teh, ki jih bom predstavila.

Glavna razloga za to sta vrsta surovine in njena vsebnost vlage. Poljuben obrat za peletiranje sestoji iz naslednjih korakov: predobdelava surovin, peletizacija in naknadna obdelava proizvedenih peletov. Proizvodnja pelet pa se začne s pridobivanjem surovin za njihovo izdelavo [13].

2.2.1 Surovine za proizvodnjo pelet

Skoraj katerakoli vrsta biomase je lahko surovina za proizvodnjo pelet. Večina obratov za peletiranje po vsem svetu pa uporablja les kot prevladujočo surovino. Lesna biomasa je sestavljena iz treh osnovnih komponent. To so strukturni naravni organski polimeri in sicer:

celuloza, hemiceluloza in lignin. Slednji je najpomembnejši pri procesu peletiranja. Lignin lahko obravnavamo kot naravno vezivo, ki skupaj drži olesenele delce znotraj peleta. Iz tega sledi, da večja kot je vsebnost lignina v lesu, bolj trpežni so peleti. Lesno surovino lahko razdelimo v dve široki kategoriji: mehki in trdi les. Razlikujeta se po zgorevalni toploti, vsebnosti pepela in lignina. Proizvajalci peletov najpogosteje uporabljajo različne mešanice lesa, saj je proizvodnja peletov samo iz lesa listavcev precej težavna. Pri iglavcih pa te težave ni, saj vsebujejo dovolj lignina [13].

Surovine, ki jih najpogosteje uporabljamo za proizvodnjo lesnih peletov so lesni ostružki, žagovina in lesni prah. Žagovina je po navadi vlažna, zato jo moramo pred nadaljnjo obdelavo posušiti [12].

(15)

4 2.2.2 Predobdelava surovin

Tipična ciljna velikost delcev surovin je 4 mm, če želimo proizvesti pelete s premerom 6 mm, ki se jih uporablja v majhnih pečeh. Seveda so tudi odstopanja, ki so lahko posledica kupčevih zahtev, drobilnika ali velikosti surovine. Zaželjeno je, da imamo čim manjše delce, saj preveliki ne zgorijo v celoti in se posledično povečujejo emisije zaradi nepopolnega zgorevanja, povečuje pa se tudi delež nezgorelega goriva. Manjši kot so delci vhodnih surovin, boljša je učinkovitost pretvorbe energije. Težava pa je lahko v tem, da proizvajalci peletov ne želijo surovin mleti več kot je potrebno, saj s tem porabijo več energije in so tudi stroški proizvodnje višji [12].

Vrsta predobdelave je odvisna od dimenzijskih značilnosti surovin. Večje kot so dimenzije vhodnega materiala, večje so naložbe in operativni stroški predobdelave. Pri žagovini predobdelava ni potrebna, zato je najugodnejša za proizvodnjo peletov [13].

Če kot surovino uporabimo lesno biomaso z različnimi dimenzijami, kot so na primer kombinacije ostružkov, sekancev, polen, mora biti prvi stroj v predobdelavi sekalnik. Ta vhodno surovino grobo zmelje. Trenutno so na trgu na voljo naslednje vrste sekalnikov:

bobnasti sekalniki, kolutni sekalniki, vijačni sekalniki in sekalniki na kolesih. Bobnasti sekalniki so najpogosteje uporabljeni zaradi svoje robustnosti, saj lahko grobo zmeljejo debla s premerom do 1 m. Po sekanju grobi delci še niso dovolj majhni za proizvodnjo konsistentnih pelet. Zato se jih s pomočjo ventilatorja ali s tračnim transporterjem transportira do drobilca.

Na sliki 1 je prikazan drobilec z osnovnimi deli. Drobilci imajo kladiva prevlečena s karbidno kovinsko prevleko in nameščena na ogromnih rotorjih. Kladiva med procesom drobljenja stisnejo surovino skozi sita in tako zmanjšajo dimenzijo vhodne surovine. Velikost izhodne surovine se določi s premerom lukenj na sitih. Drobilci so običajno nameščeni pred odsekom sušenja, čeprav je mletje suhega materiala bolj ekonomično. Ta vrstni red je narejen zaradi požarne varnosti, saj so suhi delci lesa zelo vnetljivi [13].

(16)

5 Slika 1: Osnovni deli drobilca [13].

Učinkovito zgoščevanje surovin v pelete je odvisno od velikosti delcev, od trenja med kompresijskim kanalom in surovino ter od vsebnosti vlage v surovini. Zato je potrebno doseči optimalno vsebnost vlage v skladu s tehniko peletiziranja in uporabljeno surovino. Les vsebuje vodo na različne načine. Poznamo prosto vodo ali drugače imenovano nevezano vodo oziroma kapilarno vodo. Poznamo pa tudi vezano vodo, ki je v notranjosti celičnih membran. Količina proste vode je večja in jo brez težav ostranimo. Vezano vodo pa težko odstranimo. Stanje v katerem les ne vsebuje skoraj nič proste vode imenujemo območje nasičenosti z vlakni. To stanje je med 18 in 26 mas. % odvisno od vrste lesa. Pregled območji nasičenosti z vlakni različnih vrst lesa je podan v tabeli 1 [12, 13].

Tabela 1: Območja nasičenosti z vlakni, [12]

Vrsta lesa Območje nasičenosti z vlakni [mas. %]

Bukev, jelša, breza, topol 24-26

Smreka, jelka, bor, macesen 23-25

Hrast, češnja, jesen, oreh, sladki kostanj 18-19

Sušilniki se uporabljajo za sušenje oziroma prilagajanje vsebnosti vlage v surovinah. Čeprav so v proizvodnji peletov najdražji del opreme, so neizogibni. Sušilnike lahko razdelimo v dve široki kategoriji: naravni in prisilni sušilniki. Najpreprostejša in najcenejša oblika sušenja je z

(17)

6 naravnimi, ampak z njimi ne moremo doseči optimalne vsebnosti vlage v surovini. Zato se najpogosteje uporabljajo prisilni sušilniki, ki so bolj zanesljivi. Trenutno so na trgu na voljo sušilniki s cevnimi snopi, sušilniki z bobni, tračni sušilniki, sušilniki na pregreto paro in sušilniki s tekočim slojem. V obratih za peletiranje se najpogosteje uporabljajo bobnasti sušilniki, zato bo v nadaljevanju razloženo njihovo delovanje. Bobnasti sušilniki se lahko ogrevajo neposredno ali posredno. Pri neposredno ogrevanih sušilnikih se kot ogrevalni medij uporabljajo dimni plini s temperaturo med 350 in 600 °C. Posredni bobnasti sušilniki pa imajo izmenjevalnik toplote, zato se za sušenje surovin uporablja ogrevan zrak. Slednji so varnejši, ampak precej dražji, zato večina proizvodenj za izdelavo peletov uporablja posredne bobnaste sušilnike z ustreznimi sistemi za odkrivanje in gašenje isker. Vroče pline oziroma zrak proizvajamo v pečeh. Za zagon teh peči uporabljamo različna goriva, kot na primer zemeljski plin, tekoča goriva ali tisto, kar je najbolj ekonomično in sicer ostanke lesa (sekance, ostružke, lubje, žagovino itd.). Bobnasti sušilniki so valjaste oblike. Večina vlage izhlapi že v prvem prehodu, torej stiku med surovino in tokom vročih plinov, vendar sta običajno potrebna dva prehoda, da dobimo zahtevano vrednost vlage. Posušene surovine se nato prenesejo v silose za izenačitev vlage. Postopek izenačevanja vlažnosti v surovini običajno traja od 10 do 24 ur.

Vmesno skladiščenje prispeva tudi k bolj fleksibilnemu delu celotne proizvodnje, saj ločuje postopek sušenja in peletiranja. Del posušene surovine iz silosa gre v peč za sušenje nove serije vlažnih surovin, drugi del pa nadaljuje svojo pot za izdelavo peletov [13].

Pred postopkom peletiranja je treba velikosti delcev posušene surovine uravnovesiti. Ločevanje frakcij in nadaljnje zmanjševanje velikosti se izvaja na nihajnih sitih. Delci posušene surovine, ki izpolnjujejo dimenzijske zahteve, se prenesejo v silose pripravljenega materiala. Iz silosa pa grejo v kondicioner. Kondicioner se uporablja za dodajanje tankega sloja vode na delce surovine, da se olajša postopek vezave pri peletiranju. Postopek kondicioniranja poveča vsebnost vlage v surovini za 2 mas.%, kar je treba upoštevati pri sušenju surovin. Faza kondicioniranja mora trajati med 10 in 20 min, zato da lahko voda prodre v surovino. Drugi način kondicioniranja je uporaba bioloških dodatkov. Ta prav tako poteka tik pred peletiranjem v mešalniku, zato da se doseže temeljito mešanje biološkega dodatka in surovin [12, 13].

2.2.3 Peletizacija

Sušenju, mletju in kondicioniranju sledi postopek peletiranja v mlinu za pelete. Trenutno se uporabljata dva različna stroja in sicer obročasti in ploščati mlin za pelete. Pogostejši so mlini z obročastimi matricami. Glavna elementa peletiranja sta matrica in valj. Mlini za peletiranje z obročasto matrico so sestavljeni iz vrtljive obročne matrice, ki se vrti okoli pritrjenih valjev.

Vhodna surovina se »ujame« v prostor med valjem in matrico ter se stisne skozi luknje. V primeru mlinov s ploščatimi matricami se valji vrtijo okoli svoje osi in okoli osi ploščate matrice. Ploščata matrica je v vodoravnem položaju, vhodna surovina pa prihaja od zgoraj.

Enakomerna porazdelitev surovin v prostoru med matrico in valji je bistvenega pomena, da

(18)

7 dobimo pelete ustrezne kakovosti. Proizvedeni peleti zapustijo mlin za peletiranje v obliki neskončne vrvice. Zato so potrebni posebni noži, ki vrvico razrežejo na koščke sprejemljive dolžine, ki je običajno manjša od 40 mm. Mlini za peletiranje se razlikujejo glede na razmerje stiskanja, količino lukenj in notranjo površino lukenj. Razmerje stiskanja predstavlja razmerje med premerom in dolžino luknje ter je odvisno od vrste uporabljene surovine. V primeru lesne biomase je to razmerje med 1:3 in 1:5 [13].

Slika 2: Princip delovanja in osnovni deli mlina z obročastimi matricami [13].

2.2.4 Naknadna obdelava proizvedenih peletov

Temperatura peletov, ki zapustijo mlin za pelete, je v območju med 80 in 130 °C. Izdelki s tako visoko temperaturo niso primerni za pakiranje, zato je pomembna stopnja hlajenja. Poleg tega postopek hlajenja izboljša mehansko vzdržljivost in zmanjša vsebnost vlage v peletih za približno 2 mas. %. Najpogosteje v proizvodnjah pelet uporabljajo hladilnike z nasprotnim tokom peletov in hladilnega medija. V takem hladilniku vstopi iz spodnje strani suh hladen zrak, iz zgornje pa peleti. Hladen zrak zbira toploto in vlago, ki se sprošča iz peletov ter zapusti hladilnik. Nato ohlajeni peleti nadaljujejo pot do oddelka za pakiranje [13].

Pelete običajno prevažamo neposredno od hladilnika v skladišče s transportnim trakom ali verižnim koritnim transporterjem. Med prevozom in skladiščenjem je treba zagotoviti, da peleti ne pridejo v stik z vodo. To bi lahko povzročilo resne težave, vključno s tem, da bi peleti postali neuporabni za avtomatske kurilne naprave. Prav tako imajo peleti nizko vodoodpornost, zato se lomijo na koščke in jih ni mogoče prevažati s samodejnimi transportnimi sistemi, ko so mokri. Pelete shranimo v silosih ali pa jih takoj po hlajenju pakiramo v različne vreče. Majhne so težke 25 kg oziroma približno 40 l, večje pa so težke 650 kg oziroma približno 1 m³. Slednjim pravimo »Jumbo« vreče [12].

(19)

8 2.3 ZGOREVANJE LESNE BIOMASE

Zgorevanje je najučinkovitejša pretvorba kemične energije goriv iz lesne biomase. Je eksotermna reakcija gorljivih elementov v lesu. Kot je že bilo omenjeno, je les sestavljen iz celuloze (40 – 50 %), hemiceluloze (24 – 33 %) in lignina (20 – 35 %). Kurilnost posameznih organskih spojin ni enaka. Lignin ima večjo kurilnost od celuloze zato imajo iglavci večjo kurilnost, kot listavci. Sestava različnih vrst lesa je prikazana v tabeli 2 [1, 10].

Tabela 2: Sestava različnih vrst lesa [1]

Masni % na posušeno osnovo brez veziv

Celuloza Hemiceluloza Lignin

Bukev 45,2 32,7 22,1

Breza 44,5 36,6 18,9

Javor 44,8 31,2 24,0

Cedra 48,9 20,4 30,7

Trobelika 45,2 22,3 32,5

Bor 45,0 26,4 28,5

Smreka 48,5 21,4 27,1

Sestava lesa vpliva na kemične reakcije, količino sproščene toplote in na količino hlapnih snovi pri zgorevanju. Fizikalne lastnosti pa vplivajo na potek in energijsko učinkovitost zgorevanja.

Najpomembnejši fizikalni lastnosti sta vlažnost in gostota lesne biomase. Večja kot je vlažnost, manjša je kurilnost lesa. Približno velja, da se na vsakih 10 % vode v lesu, zmanjša njegova kurilnost za 12 %. Zato je pomembno, da lesno biomaso primerno posušimo [1, 10].

Zgorevanje lesne biomase lahko zapišemo z enačbo:

𝐶_𝑥𝐻_𝑦+ (𝑥 + 0,25 ∙ 𝑦) ∙ 𝑂₂ → 𝑥 ∙ 𝐶𝑂₂+ (0,5 ∙ 𝑦) ∙ 𝐻₂𝑂 (1)

Zgorevanje lesne biomase razdelimo na tri faze. V prvi fazi poteka segrevanje, sušenje in piroliza lesa pri dovodu primarnega zraka, pri temperaturah do 500 °C. Piroliza je proces razkroja snovi pri višjih temperaturah. Pri gorljivih snoveh lahko poteka tudi brez dostopa zraka, saj lahko sicer pride do sežiga snovi. V drugi fazi se dovaja sekundarni zrak, ki povzroči intenzivno vrtinčenje in s tem kakovostno zgorevanje. V tej fazi poteka oksidacija plinov pri temperaturah med 800 °C in 1200 °C. V tretji fazi pa poteka oksidacija oglja. Na sliki 3 so predstavljene te tri faze zgorevanja lesne biomase [1, 7, 10].

(20)

9 Slika 3: Tri faze zgorevanja lesne biomase: segrevanje, sušenje in piroliza (levo), oksidacija

plinov (sredina) in oksidacija oglja (desno) [1].

Popolno zgorevanje oziroma popolna oksidacija se zgodi, če gorljive snovi v lesni biomasi pri zgorevanju v celoti oksidirajo. V tem primeru je količina sproščene toplote največja.

Pridobljeno toploto z zgorevanjem lahko uporabimo neposredno ali pa jo spremenimo v energijo delovne snovi, v paro [1, 10].

2.4 KAKOVOST PELETOV

Kakovost peletov je zelo pomembna pri kupčevi izbiri. Zaradi lažjega razumevanja kakšne kakovosti so različni peleti, so bili vpeljani standardi. Serija standardov SIST EN ISO 17225:2014 razvršča biogoriva v kakovostne razrede, glede na njihove parametre ter mejne vrednosti. Kakovost lesnih pelet opredeljuje drugi del iz omenjene serije standardov. Pelete ločuje v dve skupini; peleti za domačo oziroma individualno rabo ter peleti za industrijsko rabo.

Slednji so razvrščeni v kakovostne razrede I1, I2 in I3. Peleti za domačo rabo, na katere se bomo bolj osredotočili pa so razdeljeni v kakovostne razrede A1, A2 in B [14].

Kakovost pelet po standardu SIST EN ISO 17225-2 opredeljujejo naslednje lastnosti:

• poreklo in izvor uporabljene surovine,

• dimenzije (premer in dolžina),

• vsebnost vode,

• mehanska obstojnost,

• gostota nasutja,

• vsebnost pepela,

• delež finih delcev,

• kurilna vrednost,

• prisotnost določenih makro in mikro kemijskih elementov.

(21)

10 Pomembnejše lastnosti, ki dokazujejo kakovost peletov so vsebnost vode, delež pepela, mehanska obstojnost, gostota nasutja in delež finih delcev [14].

V tabeli 3 so prikazane lastnosti pelet za uporabo v gospodinjstvih.

Tabela 3: Kakovostni razredi pelet po standardu SIST EN ISO 17225-2 [14]

Kakovostni razred

Parameter kakovosti A1 A2 B

Vsebnost vode (% - dostavljeno stanje) ≤ 10 Delež pepela (% - suho stanje) ≤ 0,7 ≤ 1,2 ≤ 2 Mehanska obstojnost (% - dostavljeno stanje) ≥ 97,5 ≥ 96,5

Gostota nasutja (kg/m³ – dostavljeno stanje) ≥ 600 Kurilna vrednost (kWh/kg – dostavljeno stanje) ≥ 4,6 Delež finih delcev < 3,15 mm (% - dostavljeno stanje) ≤ 1

Kakovostni razred A1 predstavlja pelete najvišje kakovosti, zato zanje veljajo najstrožji pogoji.

Sledi kakovostni razred A2, ki dopušča manjša odstopanja. Kakovostni razred B pa kot surovino dovoli tudi rabljen les ali lesne ostanke [14].

Pelete kakovostnega razreda A1 lahko pridobimo samo iz surovine, ki izvira iz debla z odstranjenim lubjem. Proizvodnja tovrstnih pelet pa je mogoča samo, če je prej omenjena surovina v obliki žagovine. Če je v kakršnikoli drugi obliki, je proizvodnja nedonosna. Lubje, ki ga je pred mletjem potrebno odstraniti, lahko uporabimo za ogrevanje peči pri procesu sušenja [12, 13].

Če peleti ne ustrezajo vsem mejnim vrednostim, predpisanim s standardom, jih ni mogoče uvrstiti v noben kakovostni razred [14].

2.5 KALORIMETRIJA

Kalorimetrija je proces merjenja količine sproščene ali absorbirane toplote med kemično reakcijo. S poznavanjem spremembe toplote lahko ugotovimo, ali je reakcija eksotermna (sprošča toploto) ali endotermna (absorbira toploto). Za merjenje toplote reakcije je potrebno reakcijo izolirati, zato da se toplota ne izgubi v okolju [6].

Kalorimetrijo izvajamo s pomočjo naprave, ki se imenuje kalorimeter. Ta omogoča določanje toplotnih učinkov z neposrednim merjenjem temperature. V skladu s tem je treba za določitev toplotnega učinka določiti razmerje med ustvarjenim toplotnim učinkom in količino, izmerjeno v kalorimetru. Prav to razmerje nedvoumno določa matematični model kalorimetra. Glede na vrsto kalorimetra, zahtevano natančnostjo in pogoje prenosa toplote ima lahko razmerje med izmerjenimi in ustvarjenimi količinami različne (matematične) oblike [16].

(22)

11 KALORIMETRIJA PRI KONSTANTNEM TLAKU

Kalorimetrija pri konstantnem tlaku poteka na osnovi merjenja spremembe entalpije reakcije v tekoči raztopini. V tem primeru tlak plina nad raztopino ostane konstanten, torej reakcija poteka pri konstantnem tlaku. Toplota, prenesena v raztopino ali iz nje, je enaka spremembi entalpije.

Pri merjenju toplote mora biti sistem dobro toplotno izoliran, saj lahko drugače dobimo napačen rezultat zaradi izgub. Za merjenje količine prejete ali oddane toplote je primeren kalorimeter [4, 6].

KALORIMETRIJA PRI KONSTANTNI PROSTORNINI

Kalorimetrija pri konstantni prostornini se izvaja s kalorimetrom z bombo. Uporablja se za merjenje sproščene toplote, pri čemer volumen ostane konstanten in se upira visokemu tlaku.

V kalorimetru s konstantno prostornino je sistem zaprt ter izoliran od okolice, zato je njegova prostornina konstantna in ne opravi se nobeno tlačno delo. Kalorimeter z bombo je sestavljen iz jeklenega zaprtega valja imenovanega kalorimetrična bomba, ki vsebuje reaktante, vodne kopeli, v kateri je potopljena bomba, termometra, motornega mešala in žice za vžig. Na sliki 4 je prikazan poenostavljen kalorimeter z osnovnimi sestavnimi deli [6].

Slika 4: Osnovni deli poenostavljenega kalorimetra, [6]

Ker postopek poteka pri konstantni prostornini, mora biti reakcijska posoda zgrajena tako, da zdrži visok tlak, ki je posledica zgorevanja. Druga posledica konstantne prostornine je, da sproščena toplota ustreza qv in s tem notranji spremembi energije ΔU, ne pa spremembi

(23)

12 entalpije ΔH. Slednjo se izračuna po naslednji enačbi, kjer je Δng sprememba števila molov plinov v reakciji.

∆𝐻 = 𝑞_𝑣+ ∆𝑛_𝑔∙ 𝑅 ∙ 𝑇 (2)

Toplota reakcije je količina toplote, ki jo sistem odda svoji okolici, da se lahko vrne na začetno temperaturo. Torej je toplota reakcije (q) enaka negativni vrednosti toplote, ki jo prejme kalorimeter.

𝑞_{𝑟𝑒𝑎𝑘𝑐𝑖𝑗𝑎} = −𝑞𝑘𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 (3)

Kjer je toplota kalorimetra definirana kot:

𝑞𝑘𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 = 𝑞_{𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎}+ 𝑞_{𝑣𝑜𝑑𝑎} (4)

Določimo lahko tudi specifično toploto kalorimetra (ck). Definirana je kot količina toplote, ki je potrebna za povišanje temperature celotnega kalorimetra za 1 °C. Določimo jo lahko, če meritev ponovno opravimo pri enakih pogojih, torej pri enaki količini vode, enakem materialu bombe, itd. Specifično toploto kalorimetra izračunamo z naslednjo enačbo [6]:

𝑞𝑘𝑎𝑙𝑜𝑟𝑖𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 = 𝑐_𝑘∙ ∆𝑇 (5)

DIFERENČNA KALORIMETRIJA

Diferenčna kalorimetrija toploto oziroma spremembo entalpije reakcije (ΔHr) določi na eksperimentalen način. Ko je ΔHr negativna, je proces eksotermen, torej sprošča toploto. Ko pa je ΔHr pozitivna, je proces endotermen, torej prejema toploto [6].

Kalorimeter, ki se uporablja pri tej vrsti kalorimetrije, vsebuje dve ločeni posodi. V prvi je referenčna snov, katere lastnosti in količino poznamo. V drugi posodi pa je enaka količina topila kot v prvi in vzorec snovi, ki ga preiskujemo. Referenčna snov oziroma topilo je najpogosteje voda. Entalpija topila je v obeh posodah enaka, zato lahko vsako spremembo pripišemo vzorcu, ki ga preiskujemo. Določanje entalpije vzorca, se začne s segrevanjem obeh posod. To mora biti enako hitro in pri enakih temperaturah, kar nam omogočajo termoelementi, ki so priključeni na računalnik [6].

(24)

13 Slika 5: Poenostavljen diferenčni kalorimeter [6].

Entalpijo vzorca izračunamo z enačbo, ki povezuje spremembo temperature topila v kalorimetru s spremembo entalpije.

∆𝐻 = 𝑛 ∙ 𝑐_𝑝∙ ∆𝑇 (6)

Količine zapisane v zgornji enačbi so:

ΔH – sprememba entalpije, n – število molov vzorca,

cp – molarna specifična toplota kalorimetra, ΔT – sprememba temperature.

Rezultat diferenčne kalorimetrije se izpiše v obliki diferenčnega termograma, ki prikaže potreben toplotni tok glede na temperaturo. Analiza rezultatov je močno odvisna od predpostavke, da se referenčna in vzorčna posoda stalno vzdržujeta pri enakih temperaturah.

Sprememba specifične toplote povzroči majhno spremembo moči, ki je lahko pozitivna ali negativna. Pozitivna sprememba moči pomeni zvišanje temperature in endotermno reakcijo, saj je potrebna dodatna toplota za zagon reakcije in vzdrževanje referenčne temperature. Negativna sprememba moči pa pomeni eksotermno reakcijo, ker se sprosti toplota in je za vzdrževanje temperatur v obeh posodah potrebno manj energije [6].

2.6 KALORIMETRSKI SISTEM IKA C200

Kalorimetrski sistem IKA C200 se uporablja za določevanje kalorične vrednosti trdnih in tekočih goriv. Primeren je za industrijske laboratorije in za poučevanje. Omogoča tri

(25)

14 avtomatske metode merjenja kalorične vrednosti: isoperibolično, dinamično in časovno nadzorovano. Omogoča pa tudi ročno metodo merjenja.

2.6.1 Avtomatske metode meritev ISOPERIBOLIČNA METODA

Pri isoperibolični metodi je v plašču med preizkusom temperatura (Tov) ves čas konstantna. S tem dosežemo nižji pretok toplote. Okoljski dejavniki se s klimatsko napravo zmanjšajo na najmanjšo možno mero, da bi bili učinki nihanja sobne temperature čim manjši. Po preizkusu kalorimeter izračuna Regnault-Pfaundlerjev korekcijski faktor (ξ), ki upošteva pretok toplote [3].

Pri isoperibolični metodi kalorimeter IKA C200 samodejno izvede meritev v skladu s standardom za isoperibolične kalorimetre in sam izračuna rezultat. Meritev traja približno 17 minut z odlično ponovljivostjo rezultatov [2].

DINAMIČNA METODA

Dinamična metoda merjenja je v bistvu krajša različica isoperibolične metode merjenja.

Rezultati meritev ustrezajo relativnemu standardnemu odklonu (RDS) za uradne standarde [3].

Pri dinamični metodi kalorimeter IKA C200 samodejno opravi merjenje in izračuna rezultat.

Čas merjenja je 8 minut. Kljub hitri meritvi še vedno izpolnjuje zahteve glede natančnosti mednarodnih standardov [2].

METODA S ČASOVNIM NADZOROM

Kalorimeter IKA C200 samodejno izvede meritev v določenem časovnem obdobju in izračuna rezultat. Čas meritve je v tem primeru nastavljen na 14 minut [2].

2.6.2 Postopek uporabe kalorimetrskega sistema IKA C200

Za določitev zgorevalnih toplot vzorcev pelet in lesa smo uporabili kalorimetrski sistem IKA C200.

Za pravilno in natančno delovanje kalorimetra moramo slediti osnovnim varnostnim navodilom. Vse meritve moramo opravljati v IKA kalorimetrskih posodah, ki ustrezajo našemu kalorimetru. Podani so trije parametri, ki ne smejo biti preseženi. Maksimalna dodana energija je 40000 J, dopustni delovni tlak je 230 bar in dopustna delovna temperatura je 50 °C. Količina

(26)

15 vzorca mora biti prilagojena njegovi zgorevalni toploti, tako da ne preseže 40 kJ sproščene toplote. Nastavljen tlak preverimo na reduktorju tlaka [15].

Pred uporabo moramo opraviti test tesnosti. Še posebej pozorni moramo biti na navoj na telesu kalorimetrske posode in na prekrivno matico, ker sta zelo obremenjena. Pred uporabo moramo opraviti tudi kalibracijo oziroma umerjanje kalorimetra. Pri slednji po navadi uporabimo tablete benzojske kisline, katere kalorično vrednost poznamo [11, 15].

V kalorimetrskem sistemu IKA C200 uporabljamo tlačne posode, ki morajo biti čiste in brezhibne. Različne nepravilnosti lahko privedejo do eksplozije in s tem škodo prostora ali poškodbe ljudi. Uporabljamo lahko največ štiri posode, ki pa morajo biti pravilno označene.

Razločimo jih s črnimi označevalnimi trakovi, ki jih nastavimo v posebne reže v kalorimetrski posodi [11, 15].

Kalorimetrski sistem moramo pred prvo uporabo pravilno nastaviti. Določiti moramo jezik, datum, reference (natančno kalorično vrednost uporabljene kalibracijske snovi) in kalibracijske vrednosti vseh kalorimetrskih posod v uporabi [15].

Pred dejansko meritvijo moramo pravilno pripraviti kalorimetrsko posodo, ki jo bomo uporabljali. Najprej odstranimo njen pokrov in namestimo bombažno nitko v sredino vžigalne žičke. Potem odtehtamo zračno suh vzorec na tisočinko grama natančno, maso si zabeležimo in talilni lonček vstavimo v nosilec. Če bombažne nitke ne vstavimo v notranjost vzorca, se ta med vžigalnim procesom ne bo vžgal. Po tem, ko preverimo pravilno namestitev bombažne nitke, do omejitve zapremo pokrov in nanj namestimo matico. Naslednji korak je polnjenje kalorimetrske posode s kisikovo postajo C 248. Slednja mora biti zaradi varnostnih razlogov med polnjenem postavljena najmanj 1,5 metra od kalorimetra. Kalorimetrsko posodo vstavimo pod polnilno glavo kisikove postaje in s premikom ročice navzdol polnimo posodo približno 30 sekund. Ko je posoda napolnjena, ročico premaknemo nazaj v osnovni položaj. Na koncu namestimo vžigalni priključek v kalorimetrsko posodo [11, 15].

Tako pripravljeno kalorimetrsko posodo namestimo v notranjo posodo kalorimetra C200 med tri pozicijske sornike in previdno dodamo dva litra vodovodne vode, vzdrževane na konstantni temperaturi. Destilirane in demineralizirane vode ne smemo uporabljati. Da zagotovimo natančne rezultate pa začetna temperatura ne sme preveč nihati [11, 15].

Pred opravljanjem meritve moramo kalorimeter še dokončno pripraviti. Vnesti moramo natančno težo vzorca, ki smo ga že stehtali. Potem napravo kalibriramo s pritiskom na številko 1. Med potekom kalibracije preverimo nastavitve naprave, vnesemo število uporabljenih kalorimetrskih posod in nastavimo korekcijsko vrednost grelne energije, ki je ustvarjena s pomočjo bombažne grelne nitke [11, 15].

(27)

16 Pred začetkom meritve se prepričamo, da je tank pravilno napolnjen z vodo in da je pokrov kalorimetrske posode in kalorimetra nepredušno zaprt. Nato pride kalorimetrska posoda v stik z vžigalnim priključkom in začne se polnjenje, ki traja približno 70 sekund. Merjenje se samodejno začne takoj, ko je notranja posoda napolnjena z vodo. Ko kalorimeter opravi meritev, se nam na zaslonu izpiše rezultat [15].

Običajno so meritve pravilne, lahko se pa zgodi tudi kakšna napaka. V tem primeru meritev ponovimo. Pred ponovno meritvijo pa moramo kalorimeter očistiti in posušiti, saj umazanija vpliva na napačne rezultate [15].

2.6.3 Osnovni deli kalorimetrskega sistema IKA C200 in IKA kalorimetrske posode Na sliki 6 so prikazani osnovni deli kalorimetra IKA C200 in kalorimetrska posoda.

Slika 6: Kalorimetrski sistem IKA C200.

Na sliki 7 pa je prikazana shema kalorimetrske posode z osnovnimi deli.

1 – pokrov merilne celice 2 – polnilec tanka

3 – zaslon 4 – tipkovnica 5 – prikaz nivoja

6 – prostor za kalorimetrsko posodo

7 – keramični lonček 8 – kalorimetrska posoda 9 – pokrov kalorimetrske posode

10 – talilni lonček z vžigalno vrvico

(28)

17 Slika 7: Kalorimetrska posoda z glavnimi deli [11].

(29)

18

3. EKSPERIMENTALNI DEL

V naslednjih poglavjih bodo predstavljene metode določevanja pomembnih parametrov pri biogorivih. Ti so vsebnost pepela in higrovlage ter zgorevalna toplota.

3.1 DOLOČEVANJE PEPELA

Z izrazom pepel označujemo ostanek, ki ga dobimo pri zgorevanju peletov eno uro pri temperaturi 250 °C in dve uri pri temperaturi 550 °C.

Za določitev pepela potrebujemo električno ali s plinom kurjeno retortno peč z avtomatično regulacijo temperature in porcelanske skodelice okrogle oblike z zunanjim premerom 40 mm.

Zračno suh vzorec peletov zatehtamo na tisočinko grama natančno v porcelansko skodelico, ki smo jo prej prežarili in ohladili v eksikatorju, ki vsebuje silikagel. Skodelico postavimo v hladno peč. Peč segrevamo počasi na predpisano temperaturo 250 °C. Na tej temperaturi držimo vzorec eno uro, nato pa dvignemo temperaturo na 550 °C in ga pustimo na tej temperaturi še tri ure. V retortni peči mora vedno biti prebitek zraka. Ko izključimo peč, pustimo vzorec še nekaj časa v peči pri odprtih vratih, nato pa postavimo v eksikator in po ohladitvi ponovno stehtamo.

Upepelitev je popolna tedaj, ko v pepelu ni več črnih delcev, kar ugotovimo s premešanjem pepela s platinasto žico.

Slika 8: Retortna peč z vzorci pelet v keramičnih lončkih.

(30)

19 Vsebnost pepela podajamo v utežnih procentih in jo izračunamo po enačbi:

% 𝑝𝑒𝑝𝑒𝑙𝑎 = ^𝑏∙100

𝑎 (7),

kjer sta:

a – masa peletov (g), b – masa pepela (g).

3.2 DOLOČEVANJE HIGROVLAGE V SUŠILNIKU

Higrovlaga je vlaga, ki jo zračno suh vzorec odda pri sušenju na 105 °C ± 2 °C. Določevanje higrovlage poteka po principu določitve razlike tež vzorca pred in po sušenju.

Za določitev higrovlage potrebujemo tehtalni lonček z brušenim pokrovom prostornine 100 cm³ in sušilnik z avtomatično regulacijo temperature.

Zračno suh vzorec pelet zatehtamo na tisočinko grama natančno. Nato vzorec vstavimo v lonček, ki smo ga prej osušili v eksikatorju. Le do polovice pokrit lonček postavimo v sušilnik na 105 °C ± 2 °C in sušimo do konstantne teže. Lončki ne smejo biti popolnoma zaprti, saj mora biti prostor za izhlapevanja vlage. Praviloma zadostuje triurno segrevanje vzorca pelet.

Preden vzamemo lonček iz sušilnika, ga zrakotesno pokrijemo s pokrovom, nato ga ohladimo v eksikatorju in ponovno stehtamo.

Vsebnost higrovlage podamo v utežnih % od zračno suhega vzorca. Delež higrovlage izračunamo po enačbi:

% ℎ𝑖𝑔𝑟𝑜𝑣𝑙𝑎𝑔𝑒 =^{(𝑎−𝑏)∙100}

𝑎 (8),

kjer sta:

a – masa peletov pred sušenjem (g), b – masa peletov po sušenju (g).

(31)

20 3.3 DOLOČEVANJE ZGOREVALNE TOPLOTE

Zgorevalna toplota ali po starem zgornja kalorična vrednost (Hs) je vsa pri zgorevanju sproščena toplota. Kurilnost pa je tisti del zgorevalne toplote, ki ga dobimo, če dimne pline ohlajamo samo do temperature tik nad rosiščem vode. Razlikujeta se le v primeru, ko je v dimnih plinih tudi vodna para.

Kurilnosti pravimo tudi spodnja kalorična vrednost (Hi) in je definirana kot količina toplote, ki jo dobimo z zgorevanjem goriva, če dimne pline ohlajamo samo do temperature rosišča vodne pare, ki je v dimnih plinih [15].

Kurilnost oziroma zgorevalno toploto določimo s pomočjo kalorimetra, ki smo ga podrobneje opisali v poglavju 7.4. Kalorimeter deluje po principu razlike temperature vode v njem. Torej zračno suh vzorec sežgemo v kalorimetrski bombi, ki jo postavimo v notranjo kalorimetrsko posodo, napolnjeno z vodo. Med zgorevanjem vzorca se poviša temperatura kalorimetrskega sistema, zaradi sproščene zgorevalne toplote. Med meritvijo spremljamo povišanje temperature v K vsako minuto. Iz temperaturnih sprememb kalorimetrskega sistema pred, med in po poskusu, mase pelet ter specifične toplote kalorimetra izračunamo zgorevalno toploto po enačbi:

𝐻_𝑠 = ^𝑐^𝑘^{∙∆𝑇−𝑄}¹^−𝑄²

𝑚 (9),

kjer so:

ck – specifična toplota kalorimetra,

ΔT – sprememba temperature kalorimetrskega sistema, m – masa pelet,

Q1 – popravek vrednosti toplotne energije, ki jo odda bombažna nit (50 J),

Q2 – popravek vrednosti toplotne energije iz drugih sestavin, ki jih dodajamo vzorcu kot pomoč pri vžigu.

Kalorimetrski sistem IKA C200 je vse rezultate meritev zgorevalne toplote izpisal na zaslonu.

(32)

21

4. REZULTATI IN DISKUSIJA

Vse meritve kakovosti pelet in lesa smo opravili v laboratoriju za toplotno tehniko na Oddelku za materiale in metalurgijo na Naravoslovnotehniški fakulteti, Univerze v Ljubljani.

4.1 AVTOMATSKE METODE KALORIMETRSKIH MERITEV

V sklopu praktičnega dela diplomske naloge smo primerjali povprečne rezultate posameznih metod merjenja. Enak vzorec pelet smo testirali petkrat po vsaki metodi. V tem primeru smo testirali standardizirane pelete izdelane iz 100 % iglavcev.

V tabelah 4, 5 in 6 so prikazani rezultati meritev zgorevalne toplote po različnih metodah meritev: isoperibolični, dinamični in metodi časovnega nadzora.

Tabela 4: Rezultati meritev isoperibolične metode

Meritev Zgorevalna toplota [J/g]

1 18934

2 18888

3 18843

4 18813

5 18801

Povprečje 18856

Tabela 5: Rezultati meritev dinamične metode

Meritev Zgorevalna toplota [J/g]

1 19140

2 19077

3 19100

4 19103

5 19058

Povprečje 19996

(33)

22 Tabela 6: Rezultati meritev metode časovnega nadzora

Meritev Zgorevala[J/g]

1 18653

2 18656

3 18691

4 18660

5 18684

Povprečje 18669

Iz primerjave dobljenih povprečnih vrednosti vsake metode merjenja zgorevalne toplote opazimo, da je najvišja izmerjena vrednost zgorevalne toplote pri dinamični metodi, sledi isoperibolična metoda in najnižja vrednost zgorevalne toplote je izmerjena z metodo časovnega nadzora.

4.2 ANALIZA VZORCEV PELET

Testirali smo 3 vzorce pelet, ki so prikazani na sliki 9. Vzorec št. 1 je iz 100 % iglavcev, vzorec št. 2 je iz mešanega lesa, vzorec št. 3 pa je iz 100 % smreke.

Slika 9: Vzorci pelet.

(34)

23 Analizirali smo delež pepela, delež higrovlage in zgorevalno toploto vzorcev pelet. Za ugotavljanje vpliva vlage na višino zgorevalne toplote, smo analizirali tudi vzorce pelet sušene na temperaturi 105 °C v sušilniku. Ti vzorci so brez higrovlage.

4.2.1 Rezultati določevanja pepela v vzorcih pelet

Pri prvi meritvi deleža pepela v peletih nam je spodletelo, saj upepelitev ni bila popolna. To vemo zaradi vidnih črnih delcev v pepelu. Za jasno primerjavo sta na sliki 10 prikazani nepopolna in popolna upepelitev vzorca pelet. Meritev smo ponovili tako, da smo pelete v peči pustili dalj časa. Torej najprej smo vzorce pelet segrevali eno uro na temperaturi 250 °C, nato pa še tri ure na temperaturi 550 °C. V tabelah 7, 8 in 9 so prikazani dobljeni rezultati določevanja pepela.

Slika 10: Nepopolna in popolna upepelitev vzorca pelet.

Tabela 7: Delež pepela v vzorcu 1

Št. lončka Delež pepela [%]

4 0,3029

5 0,3358

8 0,2832

9 0,2864

18 0,3132

Povprečje 0,3043

(35)

24 Tabela 8: Delež pepela v vzorcu 2

10 0,3694

13 0,3358

14 0,3260

15 0,2965

16 0,3326

Povprečje 0,3321

2 0,4956

3 0,8624

17 0,5555

19 0,6162

20 0,5157

Povprečje 0,6091

Iz dobljenih rezultatov meritev deleža pepela v treh različnih vzorcih pelet vidimo, da ima največji delež pepela vzorec iz 100 % smreke, sledi mu vzorec iz mešanega lesa in na koncu še vzorec iz 100 % iglavcev, ki ima najmanjši delež pepela.

Izmerjen delež pepela je znašal med 0,3 % in 0,6 %. Glede na predpisane standarde kakovosti vsi trije vzorci pelet ustrezajo kakovostnemu razredu A1, ki ima dovoljen ostanek pepela do 0,7 %.

4.2.2 Rezultati določevanja higrovlage v vzorcih pelet

Pri določevanju higrovlage v vzorcih pelet ni bilo težav. Na sliki 11 vidimo na pol pokrite lončke z vzorci pelet, ko smo jih vstavili v sušilnik.

(36)

25 Slika 11: Vzorci pelet v sušilniku

V tabelah 10, 11 in 12 so prikazani deleži higrovlage v vzorcih pelet.

Tabela 10: Delež hrigrovlage v vzorcu 1

Št. lončka Delež higrovlage [%]

12 7,2274

13 7,1904

14 7,1429

17 7,1564

18 7,1752

Povprečje 7,1565

Tabela 11: Delež higrovlage v vzorcu 2

6 7,2468

7 7,4158

8 7,2113

9 7,1274

10 7,0830

Povprečje 7,2169

(37)

26 Tabela 12: Delež higrovlage v vzorcu 3

1 8,8230

2 8,7326

3 8,7121

4 8,7121

5 8,7179

Povprečje 8,7255

Iz rezultatov meritev deleža higrovlage v treh različnih vzorcih pelet opazimo, da ima največji delež higrovlage vzorec iz 100 % smreke, sledi mu vzorec iz mešanega lesa in na koncu še vzorec iz 100 % iglavcev, ki ima najmanjši delež higrovlage.

Izmerjena vsebnost vlage peletov se giblje med 7,1 % in 8,7 %. Ta delež ustreza vsem trem kakovostnim razredom, saj v nobenem vsebnost vlage ne sme presegati 10 %.

4.2.3 Rezultati določevanja zgorevalne toplote vzorcev pelet

Nato smo s pomočjo kalorimetrskega sistema IKA C200 določili zgorevalno topoloto vzorcev pelet. Primerjali smo vrednosti zgorevalnih toplot pri zračno suhih vzorcih pelet ter pri vzorcih sušenih na 105 °C, ki so brez higrovlage.

Med meritvijo smo si sproti beležili spremembo temperature vsako minuto. Iz zabeleženih vrednosti smo izrisali diagram. Diagram prikazuje spremembo temperature v odvisnosti od časa za drugo meritev zračno suhega vzorca iz 100 % iglavcev, torej vzorca 1. Na sliki 12 vidimo, da se je meritev začela po prvi minuti in je trajala 14 minut. Pri peti minuti opazimo skok v spremembi temperature, kar v praksi pomeni, da se je takrat zgodil vžig vzorca.

(38)

27 Slika 12: Diagram spremembe temperature v odvisnosti od časa za drugo meritev vzorca 1.

V tabelah 13, 14 in 15 so prikazani dobljeni rezultati merjenja zgorevalne toplote zračno suhih vzorcev pelet in zgorevalne toplote vzorcev pelet sušenih na temperaturi 105 °C.

Tabela 13: Zgorevalna toplota vzorca 1

Meritev Zgorevalna toplota zračno suhega vzorca [J/g]

Zgorevalna toplota vzorca sušenega na 105 °C [J/g]

1 18934 20274

2 18888 20306

3 18843 20339

4 18813 20299

5 18801 20223

Povprečje 18856 20288

1 18589 19956

2 18539 20041

3 18613 20020

4 18674 20030

5 18649 19991

Povprečje 18613 20008

(39)

28 Tabela 15: Zgorevalna toplota vzorca 3

1 18123 20027

2 18240 19956

3 18284 19950

4 18158 19987

5 18209 20013

Povprečje 18203 19987

Iz primerjave treh vzorcev smo ugotovili, da je najvišje kakovosti vzorec št. 1, torej vzorec iz 100 % iglavcev. Vsebuje najmanj pepela in higrovlage, njegova zgorevalna toplota pa je temu primerno najvišja. Vzorec št. 2, vzorec iz mešanega lesa ima malenkost več pepela in higrovlage. Zato ima zgorevalno toploto nekoliko nižjo. Vzorec št. 3 oziroma vzorec iz 100%

smreke pa vsebuje največ pepela in največ higrovlage, zato je njegova zgorevalna toplota najnižja.

Z analizo treh vzorcev pelet smo ugotovili, da vsi trije ustrezajo območju kakovostnega razreda A1.

4.3 ANALIZA LESA

Analizirali smo tudi dve vrsti lesa, bukov in smrekov les. Prvi je označen kot vzorec 1, drugi pa kot vzorec 2. Vzorci bukovega lesa v različnih oblikah so prikazani na sliki 13. Vzorci smrekovega lesa v različnih oblikah so pa prikazani na sliki 14. Pri analizah smo uporabljali vzorce v obliki malih koščkov lesa, taki kot so na fotografijah levo in desno spodaj. Enako kot pri vzorcih pelet, smo tudi pri lesu določevali delež pepela, delež higrovlage, zgorevalno toploto zračno sušenega lesa in zgorevalno toploto lesa sušenega v sušilniku na temperaturi 105 °C.

(40)

29 Slika 13: Vzorec bukve v različnih oblikah.

Slika 14: Vzorec smreke v različnih oblikah.

(41)

30 4.3.1 Rezultati določevanja deleža pepela v vzorcih lesa

Delež pepela smo določili na enak način kot pri peletih. Razlika je bila le v tem, da smo les na temperaturi 550 °C v peči pustili dve uri. Na sliki 15 so prikazani vzorci lesa pred in po zgorevanju v mufelni peči.

Slika 15: Vzorci lesa pred in po zgorevanju v peči.

V tabelah 17 in 18 so zbrani rezultati meritev deleža pepela v vzorcih lesa.

4 0,5554

5 0,6035

6 0,6056

7 0,5393

8 0,4765

Povprečje 0,5561

9 0,2263

10 0,2421

11 0,2892

12 0,2336

15 0,2016

Povprečje 0,2386

(42)

31 Iz dobljenih rezultatov analize deleža pepela vidimo, da ima bukov les višji delež pepela, kot smrekov les.

4.3.2 Rezultati določevanja deleža higrovlage v vzorcih lesa Na sliki 16 so prikazani vzorci lesa v eksikatorju.

Slika 16: Vzorci lesa v eksikatorju.

V tabelah 18 in 19 so prikazani rezultati meritev deleža higrovlage v vzorcih lesa.

Tabela 18: Delež higrovlage v vzorcu 1

10 7,5153

13 7,2851

7 7,3436

18 7,7674

12 7,5668

Povprečje 7,4956

(43)

32 Tabela 19: Delež higrovlage v vzorcu 2

5 7,7956

8A 7,9956

9 7,6886

3 7,9876

1 7,8502

Povprečje 7,8635

Iz dobljenih rezultatov deleža higrovlage vidimo, da ima bukov les malo nižji delež higrovlage, kot smrekov les.

4.3.3 Rezultati določevanja zgorevalne toplote vzorcev lesa

Pri določevanju zgorevalne toplote lesa smo morali les nažagati na manjše kose, da smo jih lahko pravilno vstavili v talilni lonček. To je prikazano na sliki 17 z vzorcem smreke.

Slika 17: Smrekov les in pravilno vstavljen vzorček smreke v talilni lonček.

V tabelah 20 in 21 so prikazani rezultati merjenja zgorevalne toplote zračno suhih vzorcev lesa in zgorevalne toplote vzorcev lesa sušenih na temperaturi 105 °C.

(44)

33 Tabela 20: Zgorevalna toplota vzorca 1

Št. vzorca Zgorevalna toplota zračno suhega vzorca [J/g]

1 17847 19537

2 17831 19491

3 17869 19531

4 17964 19453

5 17847 19365

Povprečje 17872 19475

Št. vzorca Zgorevalna toplota zračno suhega vzorca [J/g]

1 18465 19689

2 18481 19792

3 18467 19470

4 18307 19621

5 18524 19792

Povprečje 18449 19673

Zgorevalna toplota smrekovega lesa je višja, kljub višjemu deležu higrovlage. Vzrok za to je verjetno iskati v sestavi lesa.

Iglavci imajo kurilnost za približno 2 % višjo kot listavci. Razlog za to je predvsem v višji vsebnosti lignina in višji vsebnosti smole, voska in olja, ki se pojavlja pri iglavcih. Lignin ima v primerjavi s celulozo in hemicelulozo najvišjo kurilnost oziroma zgorevalno toploto [9].

(45)

34

5. ZAKLJUČKI

V diplomski nalogi smo se osredotočili na lesne pelete, saj se njihova uporaba v zadnjih letih povečuje. Prednost uporabe lesnih pelet v primerjavi s kurilnim oljem je v nižji ceni. En kilogram lesnih peletov sprosti toliko toplote kot polovica litra kurilnega olja. Cena ene palete, torej približno 1000 kg lesnih pelet, se giblje med 250 in 300 evri. Cena kurilnega olja pa je približno 0,95 evra na liter. Po izračunu, koliko litrov kurilnega olja potrebujemo za enako količino sproščene toplote, dobimo 500 litrov, kar stane približno 475 evrov [5].

Opisali smo lesne pelete kot biomaso, njihovo proizvodnjo, zgorevanje in standarde kakovosti ter njihove zahteve. Opisali smo proces kalorimetrije. Predstavili smo kalorimetrski sistem IKA C200, njegove osnovne dele, navodila za uporabo in njegove tri različne avtomatske metode meritev. Slednje smo tudi primerjali po opravljenih meritvah. Opazili smo, da je najvišja izmerjena zgorevalna toplota pri dinamični metodi, sledi isoperibolična metoda in najnižja zgorevalna toplota je izmerjena z metodo časovnega nadzora.

Izbrali smo tri različne vrste pelet in dve vrsti lesa. Na pogled so se peleti malo razlikovali v odtenkih rjave barve, ampak bolj pomembna razlika je bila v njihovi sestavi. Prvi so bili iz 100

% iglavcev, drugi iz mešanega lesa in tretji iz 100 % smrekovega lesa. Pri vzorcih lesa pa je bila razlika očitna, saj se bukov in smrekov les že na prvi pogled zelo razlikujeta v barvi.

Analizirali smo delež pepela, vsebnost higrovlage in zgorevalno toploto vseh petih vzorcev. Po opravljeni analizi smo pelete razvrstili v kakovostne razrede.

Vsi analizirani peleti so ustrezali kakovostnemu standardu A1, glede na vse izmerjene parametre.

Pri analizi lesa pa smo ugotovili, da ima smreka višjo zgorevalno toploto kot bukev, čeprav ima smreka višji delež higrovlage. Razlog za navedeno smo našli v sestavi lesa.

(46)

35

6. LITERATURNI VIRI

[1] BUTALA, V., TURK, J. Lesna biomasa – neizkoriščeni domači vir energije. Ljubljana : FEMOPET, 1998, 20 str.

[2] Calorimeter system C 200 – Operating instructions EN [online]. Staufen : IKA – Werke GmbH & Co. KG, 2017 [citirano 15. 7. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:

<https://silo.tips/download/ika-reg-no>.

[3] Calorimeters - The World of Calorific Value Determination [online]. Moskva : Dia-M, 2021. [citirano 15. 7. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.dia- m.ru/upload/iblock/443/%D0%9A%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0

%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D1%8B%20IKA,%20%D0%B1%D1%80%D0%BE

%D1%88%D1%8E%D1%80%D0%B0,%20%D0%B0%D0%BD%D0%B3%D0%BB.,%

2019%20%D1%81%D1%82%D1%80..pdf>.

[4] Calorimetry [online]. Portland : Lumen Learning, 2017. [citirano 11. 8. 2021].

Dostopno na svetovnem spletu: <https://courses.lumenlearning.com/boundless- chemistry/chapter/calorimetry/>.

[5] Cene energentov v letu 2021 [online]. : Varčujem z energijo, 2018, obnovljeno 14. 4.

2021. [citirano 4. 9. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.varcevanje- energije.si/aktualne-novice/cene-energentov-in-korona.html>.

[6] Differential Scanning Calorimetry [online]. [s.l.] : LibreTexts, 2020, obnovljeno 15. 8.

2020. [citirano 11. 8. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:

<https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook _Maps/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theoretical_Chemistry)/Thermodynamics/

Calorimetry/Differential_Scanning_Calorimetry>.

[7] EkoGrupa: »Prihodnost je zelena ali pa je ni« [online]. Maribor, EKO Grupa d.o.o., 2011, [citirano 14. 7. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu:

<https://www.ekogrupa.si/8/piroliza-(lesna-biomasa)>.

[8] Esvet: Drugi viri energije; Biomasa [online]. Krško, GEN energija, d.o.o., [citirano 18.

8. 2021]. Dostopno na svetovnem spletu: <https://www.esvet.si/drugi-viri- energije/biomasa>.

[9] KRAJNC, N., PIŠKUR, M., KLUN, J., PREMRL, T., PIŠKUR, B., ROBEK, R., MIHELIČ, M., SINJUR, I. Lesna goriva : drva in lesni sekanci : proizvodnja, standardi kakovosti in trgovanje. Ljubljana : Gozdarski inštitut Slovenije; Založba Silva Slovenica, 2009, 81 str.

[10] MEDVED, S., ARKAR, C. Energija in okolje : obnovljivi viri energije. Ljubljana : Zdravstvena fakulteta, 2009, 177 str.

[11] Navodilo za uporabo aparata IKA C200 – Kalorimeter sistem IK-8802500 [online].

Ljubljana : MIKRO-POLO d.o.o., 2015 [citirano 24. 8. 2021]. Dostopno na svetovnem

spletu: <https://www.mikro-

(47)

36 polo.si/files/mpwww/userfiles/Navodila%20za%20uporabo/Dokument_I/IKA%20-

%20IK-8802500,%20C200,%20Kalorimeter%20sistem-sin.pdf>.

[12] OBERNBERGER, I, THEK, G. The pellet handbook : the production and thermal utilisation of pellets. London ; Washington; Earthscan, 2010, 549 str.

[13] PROTIĆ, M., MITIĆ, D., STEFANOVIĆ, V. Wood pellets production technology.

Safety engineering, 2011, vol. 1, no. 1, str. 23–26.

[14] STARE, D., PRISLAN, P., ŠKRK, N., KRAJNC, N. Kakovost peletov na slovenskem trgu 2019. Ljubljana : Gozdarski inštitut Slovenije, Oddelek za gozdno tehniko in

ekonomiko, 2019, 20 str.

[15] UDIR, T. Kurilnost lesnih pelet : diplomsko delo. Ljubljana, 2020, 47 str.

[16] ZIELENKIEWICZ, W., MARGAS, E. Theory of calorimetry. Dordrecht ; Boston ; London : Kluwer Academic Publishers, 2002, 188 str.