Labbmoment inom energiteknik

För att omvandla ett organiskt material till biokol kan olika reaktorer användas. Vi börjar gärna i μg-mg skala med pyrolys-GC-MS (FID och TCD) och/eller TGA analyser av materialet. Sedan går vi över till högtemperatur ugn (10-100g) där olika gaser kan användas för att styra atmosfären i processen. Och sist vår roterande pyrolysreaktor, som kan behandla 1–6 kg material beroende på dess egenskaper.

Utrustning

Högtemperatur-ugn

Ugnen är utrustad med gasregulator och flera olika gaser går att koppla på som atmosfär. Proverna sätts in i bägare med lock och en temperatur kurva matas in med t ex. torkning, temperaturstegring och avsvalning. Temperaturområde: 20-1250̊ °C

Roterande pyrolys-reaktor

Reaktorn är kontinuerlig och material fylls i matarsilon reaktorn värms till önskad temperatur (20-900°C) och materialet matas in, passerar roterugnen och samlas upp i en behållare. Reaktorn körs på kvävgas men andra gaser är möjliga. Produktgasen förbränns i dag men ska i framtiden kunna analyseras och en fälla för olja och tjära skall installeras innan gaserna förbränns. 

Utrustning

Rostpanna i labbskala

Fastbäddsreaktor, ca 500 g bränsle. Temperaturgivare i bädd och förbränningskammare, elektrisk uppvärmning. Cyklonavskiljare. Här simuleras förbränning på rostbädd med olika lufttillförsel och temperaturer.

Högtemperatur-ugn

Ugn med luft som atmosfär. Temperaturspann: 20–1250°C. Programmerbar temperaturkurva. I ugnen kan även inaskning av prover göras.

Följande utrustning och processer används för analys inom energiteknik

Mikrovågsugn

För uppslutning av fasta prov som aska, fasta bränslen, biokol. m.m. Proven vägs noggrant, läggs i behållare med en cocktail av syror och försluts. Mikrovågsugnen höjer temperaturen och trycket i behållarna och processen tar oftast ca 40 min med en 20 min temperaturramp och 20 min vid högsta temperaturen. Sedan måste proverna kylas ner ordentligt innan provbehållaren öppnas. 

Energiinnehåll

Ett materials energiinnehåll kan analyseras med vår Bomb-kalorimeter. Alla material som t ex. mat, bränsle och biokol kan analyseras utifrån hur mycket energi de har lagrat. Beroende på materialets densitet och energiinnehåll krävs olika mängd material för varje analys, men det brukar vara omkring 1 g torrt prov. 

GC-MS (FID och TCD)

En gaskromatograf med masspektroskopi som huvuddetektor där olika organiska föreningar kan detekteras med hjälp av ett bibliotek. Kvalitativa och kvantitativa analyser kan göras med FID-, MS-och TCD-detektorer. Det är även möjligt att koppla på en pyrolysenhet och analysera kompositionen i gasen som bildas vid pyrolys.

TGA och DTG (liten)

Termogravimetriska analyser (TGA) görs med hjälp av en väldigt känslig våg i instrumentet. Provet sätts in i TGAn, temperaturkurva väljs och analysen ger svar på hur vikt-minskningen/-ökningen ser ut. Olika gaser kan användas som atmosfär. Temperaturområde: 20–1600°C. TGA mäter provets viktförändring som funktion av temperatur eller tid under kontrollerad atmosfär (t.ex. N₂, CO₂, luft). Analysen används för att bestämma fukthalt, flyktiga ämnen, kol- och askinnehåll samt för att studera pyrolys- och förbränningsförlopp.

Trycksatt TGA

Trycksatt TGA gör det möjligt att simulera industriella förhållanden, medan liten TGA möjliggör snabba tester med små provmängder.
Derivatogrammet (DTG) visar reaktionshastigheten och används för att identifiera reaktionssteg, aktiveringsenergier och reaktivitet hos olika material.

MP-AES

Mikrovågsplasma med atomemissions -spektroskopi (ICP-AES). Analyserar stora delar av periodiska systemet (inte Hg, Cl och S) i vätskeprov. Prov i vätskefas och filtreras med 45 μm filter då proverna ej får innehålla några partiklar.

Elementaranalys

Analysera hur mycket C, N, H och S som finns i materialet. Om askhalten är känd kan även syreinnehållet räknas ut.

FTIR-spektroskopi

Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR) används för att identifiera molekylära bindningar och funktionella grupper i gaser, vätskor och fasta ämnen.
Kopplat till TGA (TGA–FTIR) kan tekniken identifiera avgående gaser under pyrolys eller förbränning och ge insikt i organiska nedbrytningsvägar samt biokolens kemiska struktur.

Raman-spektroskopi

Raman-spektroskopi används för att analysera struktur, kolordning och kemisk bindning i fasta material såsom biokol, aska och slagg.
Metoden används för att bestämma grafitiseringsgrad, mineralfaser och oxidationstillstånd, samt kompletterar SEM–EDS.

Integrerad processförståelse 

Tillsammans ger dessa metoder en flerdimensionell förståelse av termiska processer:

• TGA/DTG – massförändringar och reaktionskinetik
• FTIR – gasfasens sammansättning och funktionella grupper
• Raman – fastfasens struktur och mineralförändringar

Denna kombination kopplar experimentella observationer till termokemisk modellering och används för att optimera processer inom energiåtervinning, biokolproduktion, metallurgi och resursåtervinning.

Inkubator

Kan användas för att ha gastillförsel, ljus, omrörning och reglera temperatur under försök. Kan användas t.ex. för att odla alger. Det finns 12 portar för gastillförsel. 

Lakningsmetoder

Vi kan utföra olika lakningsmetoder beroende på vad som efterfrågas men använder i första hans kemisk fraktionering:
Kemisk fraktionering är en stegvis lakmetod där tre olika lösningsmedel används: Steg 1; avjoniserat vatten 24 h, Steg 2; 1M ammoniumacetat 72 h och sist 1M HCl i 48 h. Provet före lakning, de tre laklösningarna samt den fasta återstoden av provet analyseras. Storleken på provmängden beror på materialets egenskaper och sammansättning.
SEM-EDS: Electron Microscopy- Energy dispersive X-ray spectroscopy (för att se hur metaller och alkali sitter)

Vid Energitekniklabbet kombineras experimentella studier med beräkningsbaserad termokemi, avancerad modellering och simulering för att analysera och optimera högtemperaturprocesser inom energiåtervinning, biokolproduktion, samt pyro-, hydro- och extraktionsmetallurgi.

Verktygen FactSage, ChemApp, HSC Chemistry, Aspen Plus används för att förutsäga kemisk jämvikt, reaktionskinetik, värme- och masstransport samt systemintegration. Med dessa verktyg kan vi modellera slaggbeteende, metallfördelning, korrosion och energiflöden, samt optimera processer för metall- och näringsåtervinning, biocharproduktion och resursförädling.

Genom koppling till livscykelanalys (LCA) utvärderas processernas energi- och resurseffektivitet, klimatpåverkan och cirkularitet.

Forskningen bedrivs i nära samarbete med industrin inom energi-, stål-, massa- och pappers-, metall-, batteri-, närings- och återvinningssektorn, och bidrar till utvecklingen av hållbara, cirkulära och koldioxidneutrala processer för framtidens industri.