Grundlegende Laboruntersuchungen
Für die analytische Begleitung der Experimente steht uns ein breit gefächertes analytisches Labor zur Verfügung. Hier aufgelistet sind Untersuchungsmethoden, die für das Biomasseprojekt besonders wichtig sind:
Elementaranalyse
Zur Bestimmung des C,H,N und S –Gehaltes werden die Proben in einem Sauerstoffstrom verbrannt. Die Verbrennungsprodukte – Stickstoff, Wasser, Schwefeldioxid und Kohlendioxid werden detektiert und über Kalibrierkurven auf die jeweiligen Elementgehalte zurückgeführt. Sauerstoff wird in einer zweiten Apparatur über die Bildung von Kohlenmonoxid erfasst.
Elementaranalysen und berechnete Heizwerte
Aus den Elementaranalysen kann man mit verschiedenen empirischen Formeln die Heizwerte der Edukte mit einer Genauigkeit von ca. 5 % berechnen. Alternativ können die Brennwerte auch mittels eines Bombenkalorimeters bestimmt werden
Gaschromatographie / Massenspektrometrie
Die zahlreichen flüchtigen Substanzen im Pyrolyseteer werden durch Gaschromarographie mit verschiedenen Detektoren erfasst.
Gaschromatogramm eines Pyrolyseöls
Thermogravimetrie
Thermodiagramm von Weizenstroh
Der temperaturabhängige Zerfall der Biomassemoleküle wird mit Hilfe der Thermogravimetrie (TG) und Differential Scanning Calorimetry (DSC) untersucht . Die Thermogravimetrie erlaubt die Bestimmung des Wassergehaltes und der Proximat Analyse (Flüchtige, Koks und Aschgehalt).
Reaktionskinetik
Pyrolysekinetik von Strohpartikeln
Wir können die Gesamtkinetik der Pyrolyse in einem abgedichteten Ofen mit integriertem Barometer messen. Nach Kontakt mit dem heißen Sand im Ofen ist das dünnwandige Stroh nach ca. 1 s vollständig umgesetzt. Die Halmknoten dagegen benötigen ca. 10 s für eine vollständige Reaktion.
Partikelgrößen
Porosimetrie
Mischt man gleichgroße Kugeln mit einer Flüssigkeit zu einer Suspension, so kann man einen Feststoffanteil von maximal 60 Volumen % erreichen. Die Struktur eines Kokspartikels ist aber wesentlich komplexer als dieses einfache Modell. Pyrolyseöl als benetzende Flüssigkeit dringt in das Porensystem ein und absorbiert einen Teil Öls, wodurch die Viskosität steigt. Auf der anderen Seite kann man Poren auch als "Sollbruchstelln" bei der Mahlung betrachten. Daher ist es nicht verwunderlich, wenn mit der Mahlung des Kokses die Porosität deutlich zurück geht.
Viskosität
Die Kurven der Slurry-Viskosität verhalten sich in Abhängigkeit von Temperatur und Feststoffghalt so wie in der Theorie vorausgesagt. Die Viskosität sinkt exponentiell mit höherer Temperatur und steigt mit dem Feststoffgehalt. Diese Viskositätssteigerung wird sehr steil, wenn der Feststoffgehalt in die Nähe des kritischen Volumens kommt, bei dem alle Lücken zwischen den Feststoffpartikeln mit Flüssigkeit gefüllt sind. Slurries von Teer und Koks haben keine Rheologie nach Newton, sondern verhalten sich pseudoplastisch oder dilatant, d.h. mit steigendem Schergefällt kann die Viskosität sowohl steigen, als auch fallen, abhängig von Feststoffgehalt, Partikelgrößen und Temperatur. Zusätzlich sind kalte Slurries (bis ca. 20 °C) thixotrop: Die Viskosität nach einer Standzeit von 2 Stunden und ist doppelt so hoch oder höher, verglichen mit einem Slurry, der in langsamer Bewegung gehalten wird.
Sedimentation
Da ein Slurry keine im chemischen Sinn homogene Flüssigkeit ist, kann der Koks sedimentieren. Dies wird mit einer selbstgebauten Sedimentationswaage verfolgt. In der Abbildung sieht man, dass die Sedimentation extrem abhängig von der Partikelgröße ist. Ferner spielt die Sedimentationsdichte eine Rolle, die ebenfalls sehr abhängig von der Partikelform ist. Beim fein gemahlenen Koks (x50=6μm) liegt sie bei etwa 26 %, beim gröberen Koks (100-200 μm Siebfraktion) wesentlich höher.