Brichete de combustibil generate de compactarea la presiune scăzută a hârtiei, a rumegușului, a deșeurilor agricole sau de curte etc. servesc în prezent ca alternativă la lemnul de foc, peletele și cărbunele din țările în curs de dezvoltare din Africa, Asia și America de Sud. Cercetările efectuate la Universitatea de Stat Boise din Idaho au explorat atât conținutul caloric, cât și forma, pentru a optimiza eficiența arderii biobrichetelor. Conținutul energetic al brichetelor a variat între 4,48 și 5,95 kilojoule pe gram (kJ/g) în funcție de compoziție, în timp ce conținutul energetic al rumegușului, cărbunelui și peletelor de lemn a variat între 7,24 și 8,25 kJ/g. Biobrichetele turnate într-o formă cilindrică cu miez gol au prezentat o producție de energie comparabilă cu cea a combustibililor tradiționali. Studiul demonstrează că materiile prime cu conținut scăzut de energie pot fi compostate, presate și arse pentru a produce o producție de căldură proporțională cu combustibili cu conținut mai mare de energie.

transformând

În 2006, S.U.A. a produs peste 227 miliarde de kilograme (kg) de deșeuri solide; aceasta echivalează cu aproximativ 2,1 kg de persoană pe zi, unde aproximativ jumătate din această cantitate se află sub formă de hârtie și gunoi horticol [1]. Conversia acestor deșeuri în brichete de biomasă combustibilă ar oferi un mijloc de a satisface nevoile individuale de energie în timp ce ar atenua utilizarea depozitului de deșeuri [2,3]. Mai mult, cheresteaua a devenit o resursă limitată în multe regiuni ale lumii și există o nevoie urgentă de combustibili durabili pentru a mări sau înlocui combustibilii tradiționali pentru lemn [4].

Energia produsă atunci când sunt arse biobrichetele turnate corespunzător este comparabilă cu combustibilii tradiționali. Aceste biobrichete pot fi arse în lemne nemodificate și sobe de pelete, șeminee, încălzitoare de terasă și grătare cu cărbune și oferă o metodă ieftină pentru conversia deșeurilor organice în energie [5]. În mod ideal, biocombustibilii pot fi fabricați din materiale regenerabile și ușor disponibile, iar producția lor ar trebui să ducă la un impact asupra mediului redus în comparație cu înlocuirea combustibililor tradiționali [6]. Cele patru tipuri de biobrichete produse și analizate în acest studiu constau din următoarele compoziții: 100% biomasă, 3: 1 biomasă pe hârtie, 1: 3 biomasă pe hârtie și 100% hârtie. Acest manuscris se concentrează pe compoziția și producția de brichete, combustie și conținutul de energie, determinate de calorimetria bombei de oxigen.

Compoziția și producția Biobriquette

Materialele pentru biobrichete, inclusiv hârtie, frunze, ace de pin, rumeguș și deșeuri de la magazin au fost măcinate în particule cu diametrul de 6 până la 8 milimetri (mm) pentru a crește suprafața pentru înmuiere și pentru a spori eficiența ambalării [7]. Brichetele realizate în întregime din hârtie mărunțită au fost preparate prin adăugarea a suficientă apă pentru a acoperi materialul și înmuiate timp de aproximativ o săptămână. Pe măsură ce raportul dintre biomasă și hârtie mărunțită a crescut, a crescut și timpul necesar pentru înmuierea materialului pentru turnarea cu succes. De exemplu, biobrichetele realizate în întregime din frunze mărunțite au necesitat aproximativ cinci săptămâni timp de înmuiat înainte de presare. Materialul îmbibat a fost testat pentru pregătire prin apăsarea manuală a unei linguri de piure. Mash-ul care își ținea forma în palma mâinii era considerat gata să fie presat în brichete.

Compactarea a avut loc la presiuni moderate până la joase (aproximativ 30-50 megapascal (MPa)) utilizând adaptări ale presei originale cu pârghie acționată manual realizată de Ben Bryant de la Colegiul Resurselor Forestiere din Seattle, Washington. [8-10]. Matrița pentru această presă constă dintr-o țeavă de clorură de polivinil (PVC) cu diametrul de 100 mm, cu găuri preforate, care a fost acoperită în partea inferioară cu o bucată groasă de plastic găurită pentru a accepta un diblu cu diametrul de 38 mm folosit pentru a crea canalul central de aer în brichetă. Materialul pre-învelit a fost încărcat în matrița din jurul diblului și matrița a fost acoperită cu un dop de plastic pentru a crea canelurile de aer de la baza brichetelor. Conceptul de caneluri de aer pentru a crește suprafața și a facilita fluxul de aer în baza brichetelor a fost introdus de Kobus Venter de la Vuthisa Technologies, un producător de sobe de brichete din Africa de Sud. Odată încărcată în presă, biomasa a fost compactată; bricheta a fost împinsă manual din matrița din PVC și plasată pe un suport de uscare. După uscare, dimensiunile brichetei erau de 97 mm diametru exterior și aproximativ 70 mm înălțime, cu un miez gol de 38 mm diametru interior. Figura 1 prezintă biobrichete compuse din hârtie 100% cu procent crescând de biomasă până la 100% biomasă.

Un arzător Bunsen a fost folosit pentru aprinderea simultană a centrului gol, a fundului și a laturilor brichetei. La aprindere, flăcările au format o coloană de convecție în centrul brichetelor facilitată de canelurile de aer din fundul fiecărei brichete. Șanțurile de aer păreau să îmbunătățească arderea, ceea ce duce la creșterea temperaturilor de ardere, a ratei de ardere, a arderii mai complete și a arderilor mai curate, dovadă fiind o emisie mai mică de fum în comparație cu lemnul, peletele de lemn și cărbunele [11].

Analiza calorimetrică

S-a folosit un calorimetru Parr cu bombă de oxigen interfațat cu un termocuplu Vernier Logger Pro pentru a determina conținutul caloric al materialelor biobrichete în raport cu sursele tradiționale de combustibil. Experimentele de calorimetrie cu bombă (sau volum constant) au fost efectuate prin metode tradiționale [12-17]. Pe scurt, proba de testat a fost rasă, filtrată cu o sită de 20 de ochiuri și apoi presată într-o peletă de 1 gram (g). Aprinderea materialului sub 2.533 megapascal oxigen (MPa O2) a dus la o creștere a temperaturii observată a vasului cu bombă de oțel. Conținutul caloric al materialului a fost apoi calculat ținând seama de corecțiile pentru firul de siguranță neoxidat. Capacitatea termică a calorimetrului a fost calibrată cu standarde de acid benzoic și naftalină [15].

Analiza combustiei

Rezultate calorimetrice

Figura 3 prezintă rezultatele experimentelor de calorimetrie cu bomba de oxigen. Conținutul caloric al brichetelor a crescut odată cu procentul de biomasă din brichetă. Cea mai mică valoare a fost de 4,48 kJ/g pentru brichetele de hârtie de 100% și cea mai mare a fost de 5,95 kJ/g pentru brichetele de biomasă de 100%. Valorile pentru 1: 3 și 3: 1 părți de hârtie pentru brichete de biomasă au fost determinate a fi 5,48 și respectiv 5,90 kJ/g. În toate cazurile, materialele pentru brichete s-au dovedit a avea un conținut caloric mai scăzut decât peletele de lemn (8,25 kJ/g), lemnul (7,24 kJ/g) și cărbunele (7,33 kJ/g). Trebuie remarcat faptul că conținutul caloric al materialelor variază în funcție de metoda calorimetrică. În acest studiu, calorimetria bombei a fost utilizată pe materiale rase printr-o sită de 20 de ochiuri pentru a asigura o suprafață consistentă a probei. De asemenea, este important să rețineți că arderea materialelor nemodificate va produce în general valori energetice mai mici decât materialele cu suprafață crescută [18]. Producția termică mai eficientă este obținută prin creșterea suprafeței, ceea ce permite biobrichetelor să concureze în ceea ce privește puterea de energie cu sursele tradiționale de combustibil care pot avea conținut caloric mai mare.

Analiza combustiei

Când aproximativ 100 g de mase de lemn și pelete de lemn au fost aprinse rapid, rezultatul a fost o creștere medie a temperaturii de 500 ml de apă deionizată între 57 și 64 grade Celsius, respectiv. Eșantionul de cărbune a fost cel mai lent de aprins, rezultând cea mai mică creștere a temperaturii apei, o modificare a temperaturii de 17 C, deși a ars pentru cea mai lungă durată. În comparație, s-a constatat că arderea brichetelor a fost optimizată de canelurile fluxului de aer și un timp de aprindere de 150 de secunde într-un mediu bogat în aer. Aceste condiții imită arderea mai multor brichete simultan, care este destinația lor de utilizare.

Pentru a demonstra proprietățile caracteristice arderii biobrichetelor în aceste condiții ideale, s-a efectuat un experiment folosind biomasa 1: 3 a brichetei de hârtie. Rezultatele acestui test demonstrează că biobrichetele pot produce modificări de temperatură pentru 500 ml de apă, care sunt în concordanță cu cele ale lemnului și peletelor de lemn (adică o modificare a temperaturii mai mică sau egală cu 47 C) (Figura 4). Timpii de aprindere de 60 și 90 de secunde au furnizat arsuri mai lente, mocnite, cu o modificare a temperaturii mai mică sau egală cu 20 C, dar pe măsură ce timpii de aprindere au crescut la 120 și 150 de secunde, temperaturile de vârf au crescut în consecință, ceea ce a determinat o creștere a temperaturii apei între o modificare a temperaturii mai mică sau egală cu 40 C și o modificare a temperaturii mai mică sau egală cu 47 C, respectiv (proporțional cu combustibilii tradiționali).

Discuţie

Rezultatele studiului arată că producția de energie a biobrichetelor comprimate din deșeurile de biomasă este aproape echivalentă cu cea a surselor obișnuite de combustibil atunci când sunt arse într-un mediu bogat în oxigen, comparabil cu sobe nemodificate din lemn și cu pelete din lemn, șeminee, încălzitoare de terasă și grătare cu cărbune. Există multe avantaje clare ale biobrichetelor, inclusiv simplitatea prin care pot fi produse și disponibilitatea și accesibilitatea materialelor utilizate în producția lor.

REFERINȚE
1. S.U.A. EPA; Deșeuri solide municipale: informații de bază, www.epa.gov/msw/facts.htm (Accesat la 16 iulie 2010).

2. Departamentul pentru Calitatea Mediului din Mississippi, Jackson, MS; Reducere a mesajelor nedorite, http://deq.state.ms.us/MDEQ.nsf/page/Recycling_JunkMailReduction?OpenDocument (Accesat la 16 iulie 2010).

3. Recycle Advocates, Portland, Ore.; Zece moduri de a opri e-mailurile nedorite Reduce, reutiliza, recicla, www.recyclingadvocates.org/pdf/pubs/junkmail.pdf (accesat la 16 iulie 2010).

4. Chaney J O, Clifford M J, Wilson R, Un studiu experimental al caracteristicilor de ardere ale brichetelor de biomasă cu densitate scăzută.

5. Depozite de deșeuri: probleme de mediu, www.landfill-site.com/html/landfills__environmental_probl.php, termen de căutare: Probleme de depozit de deșeuri, (Accesat la 17 iulie 2010).

6. Demirbas A. Producția durabilă de cărbune și brichetarea cărbunelui. Surse de energie, partea A: Recuperare, utilizare și efecte asupra mediului, vol. 31, Is. 19, ianuarie 2009, pp. 1694-1699.

7. Grover P D, Mishra, S K, Brichetarea biomasei: tehnologie și practici. Organizația Națiunilor Unite pentru Alimentație și Agricultură, Bangkok, Thailanda. Programul regional FAO pentru dezvoltarea energiei lemnului în Asia, aprilie 1996.

8. Voluntari în asistență tehnică, Arlington, Virginia; Understanding Briquetting, www.cd3wd.com/cd3wd_40/vita/briquett/en/briquett.htm (accesat la 17 iulie 2010).

9. Voluntari în asistență tehnică, Arlington, Virginia; Înțelegerea deșeurilor de lemn ca combustibil, Document tehnic nr. 46, www.bioenergylists.org/vitawood (accesat la 17 iulie 2010).

10. Voluntari în asistență tehnică, Arlington, Virginia; Înțelegerea reciclării hârtiei, www.cd3wd.com/cd3wd_40/vita/paprrcyc/en/paprrcyc.htm (accesat la 17 iulie 2010).

11. Legacy Foundation, Ashland, Ore.; Brichete de combustibil, www.legacyfound.org/ (Accesat la 16 iulie 2010).

12. Jessup R S. Măsurarea precisă a căldurii de ardere cu un calorimetru de bombă. Monografia SUA Natl Bar Std 1960; 7.

13. Coops J, Jessup R S, van Nes K, Hubbard W N, Scott D W, Prosen E J, și colab. Capitolele 3, 5 și 6. În: Rossini FD, editor. Termochimie experimentală, New York: Interscience Publishers, Inc; 1956.

14. Sturtevant J M. Tehnica chimiei organice. În: Weissberger A, editor. Metode fizice de chimie organică, New York: Interscience Publishers, Inc; 1959, vol. 1, pct. 1, p. 597-8.

15. Calorimetrie și metode de ardere a bombei de oxigen, Parr Instrument Co. (Moline, Ill.); 1960, tehn. Manual 130.

16. Tabelele critice internaționale. New York: McGraw-Hill Book Company; 1929, vol. V, p. 162.

17. Valorile selectate ale proprietăților chimice termodinamice, Natl. Bar. Std. S.U.A. Circl 500, 1952.

18. Holstein S, Stanley R, McDougal O M. Brichete de combustibil din poșta nedorită și deșeurile de la curte. J Chem Innovation 2001; 31: 22-8.