Produkcja granulatu i brykietów w aspekcie cech jakościowych Odpadowe surowce pochodzenia roślinnego stanowią poważny problem w racjonalnym ich wykorzystaniu



Pobieranie 29.33 Kb.
Data10.05.2016
Rozmiar29.33 Kb.
Produkcja granulatu i brykietów w aspekcie cech jakościowych

Odpadowe surowce pochodzenia roślinnego stanowią poważny problem w racjonalnym ich wykorzystaniu. Bardzo często bezpośrednie wykorzystanie odpadów do celów energetycznych jest niemożliwe ze względu na ich duże zawilgocenie, niewłaściwy stan skupienia lub niewłaściwe (niewygodne) rozmiary.

Do najważniejszych z nich należy zaliczyć odpady powstające w czasie mechanicznej obróbki drewna (trociny, wióry, kora itp.) oraz słomę. Ilość odpadów drzewnych szacuje się na ok. 3 mln ton rocznie, z czego tylko ok. 49% jest zagospodarowywana do celów energetycznych. Zbiory słomy ze zbóż i rzepaku można corocznie szacować na ok. 30 mln ton, z czego tylko nieznaczna jej ilość wykorzystywana jest jako komponent pasz objętościowych1, 2.

Trudności w energetycznym wykorzystaniu biomasy odpadowej mogą być pokonane przez przetworzenie, co znacznie zwiększa ich wartość opałową. Czynności te są kosztowne i energochłonne. Jednakże zalety nowo powstałych paliw (znaczne zwiększenie gęstości i wartości opałowej, brak emisji CO2, mniejsza emisja NOx i SO2 do atmosfery, przychylne ustawodawstwo w UE) sprawiają, że zainteresowanie technikami wytwarzania biopaliw jest coraz większe.

Do najczęściej stosowanych operacji przetwarzania odpadów roślinnych na stałe biopaliwa zalicza się suszenie, rozdrabnianie, granulowanie i brykietowanie.



Ciepło spalania i wartość opałowa

Wysoka wartość opałowa odpadów roślinnych stanowi, że są one bardzo dobrym materiałem opałowym, przyjaznym środowisku.

Wyniki przeprowadzonych badań ciepła spalania i wartości opałowej, przeprowadzone dla trocin świerkowych, słomy, papieru, węgla drzewnego i kory (dębowej, brzozowej, olchowej, wierzbowej i kory sosnowej), przedstawiono w tabeli i na rys. 1 (dla wilgotności 0% m – dla suchej masy paliwa)3, 4.
Wyniki badań ciepła spalania i wartości opałowej badanych materiałów (dla suchej masy paliwa)3, 4


Badany materiał

Ciepło spalania [MJ/kg]

Wartość opałowa [MJ/kg]

Trociny świerkowe

18,89

17,58

Słoma: żytnia

rzepakowa

łuska gryki


17,78

17,12

19,14

17,82

20,12

18,76

Papier (makulatura)

17,05

16,39

Węgiel drzewny

31,55

30,23

Kora: dębowa

brzozowa


olchowa

wierzbowa

sosnowa


19,05

17,51

23,37

21,86

21,73

20,31

18,19

16,76

21,08

19,66

Rys. 1. Zależność wartości opałowej badanych materiałów odpadowych od wilgotności3, 4


Wyniki przeprowadzonych badań wskazują, że badane odpady roślinne mają wysokie ciepło spalania i wartości opałowe. Największą wartość ciepła spalania (wartości opałowej) zanotowano dla węgla drzewnego – 31,55 MJ/kg (30,23 MJ/kg), zaś najmniejszą dla papieru (makulatury) – 17,05 MJ/kg (16,39 MJ/kg). Dla porównania wartość opałowa (dla suchej masy paliwa) dla węgla kamiennego wynosi 27-33 MJ/kg, dla węgla brunatnego – 25-27 MJ/kg, dla oleju opałowego – 41-46 MJ/kg a dla gazu – 35-49 MJ/kg5.

Wartości ciepła spalania i wartości opałowej (tabela i rys. 1) pokazują, że materiały te mogą być bardzo dobrym surowcem do wykorzystania w energetyce.



Produkcja granulatu i brykietów opałowych

Granulat i brykiety opałowe powstają w procesie ciśnieniowej aglomeracji (granulowania, brykietowania), w którym sypki materiał w wyniku działania sił zewnętrznych (naciski zagęszczające) i wewnętrznych (siły i wiązania międzycząsteczkowe) przybiera trwałą postać o określonych wymiarach geometrycznych.

Granulat wg BN-78/1135-04 to walec lub prostopadłościan o średnicy lub boku podstawy do 15 mm, zaś brykiet to walec lub prostopadłościan o średnicy lub boku podstawy 15-30 mm lub 60-120 mm.

Wykorzystanie odpadów pochodzenia roślinnego w formie zagęszczonej (brykietów i granulatu) ma kilka niepodważalnych zalet1, 2. Po pierwsze, brykiety można spalać we wszystkich piecach rusztowych, a kinetyka ich spalania jest podobna do spalania kawałków (polan) drewna. Ponadto kilkakrotnie zmniejsza się powierzchnia magazynowania. Parokrotnie większa gęstość brykietów (granulatu) w porównaniu z materiałem sypkim pozwala na istotne zmniejszenie kosztów transportu. Warto też pamiętać, że spalanie brykietów (granulatu) jest bezpieczne (nie grozi wybuchem), a jego transport, magazynowanie i załadunek do pieca można zautomatyzować.

Materiały poddane brykietowaniu (granulowaniu) powinny mieć wilgotność 8-15%. Większa wilgotność materiału wpływa ujemnie na jakość otrzymywanego produktu. Dotyczy to głównie spadku gęstości i wytrzymałości kinetycznej brykietów (granulatu), spadku ich wartości opałowej i wzrostu emisji zanieczyszczeń w trakcie spalania.

Wzrost temperatury procesu zagęszczania wpływa na wzrost gęstości aglomeratu. Podwyższona temperatura, przy zagęszczaniu trocin z drewna oraz rozdrobnionej słomy, powoduje częściową hydrolizę hemicelulozy oraz dekrystalizację celulozy, co powoduje uplastycznienie cząstek materiału. Przykładowo wzrost temperatury trocin sosnowych z 20 do 180°C powoduje, że przy brykietowaniu z ciśnieniem 60 MPa uzyskujemy brykiety o gęstości większej o ok. 75-80 kg/m3.

Odpadowe materiały pochodzenia roślinnego, np. trociny czy wióry, posiadają cząstki o zróżnicowanej wielkości. Przykładowo, trociny sosnowe o składzie granulometrycznym 31,3% cząstek zatrzymanych na sicie o oczkach 1,5 x 1,5 mm, 16% na sicie 1 x 1 mm, 13,5% na sicie 3 x 3 mm oraz 15,4% na sicie 2 x 2 mm, są dobrym materiałem do brykietowania.

W praktyce przemysłowej granulat (brykiety) są wytwarzane w urządzeniach z układami roboczymi: „komora zamknięta – tłok zagęszczający” (rys. 2a), „komora otwarta – tłok zagęszczający” (rys. 2b) lub „komora otwarta – ślimak zagęszczający” (rys. 2c), „płaska matryca – rolki zagęszczające” (rys. 2d) oraz „pierścieniowa matryca-rolki zagęszczające” (rys. 2e).



Rys. 2. Schemat układów roboczych granulująco-brykietujących: a) z zamkniętą komorą zagęszczania: 1 – mimośród, 2 – tłok, 3 – ślimak podający materiał, 4 – komora zagęszczania, 5 – zamknięcie komory, b) z otwartą komorą zagęszczania: 1 – tłok, 2 – korbowód, 3 – komora zagęszczania, 4 – brykiety, 5 – grzałki, 6 – ślimak podający materiał, 7 – materiał, c) ze ślimakowym układem roboczym, 1 – ślimak zagęszczający, 2 – matryca, 3 – trzpień stożkowy, d) układ roboczy „płaska matryca – rolki zagęszczające”: 1 – rolka zagęszczająca, 2 – materiał, 3 – matryca, 4 – aglomerat, e) układ roboczy „pierścieniowa matryca – rolki zagęszczające”6


Urządzenia do zagęszczania, wykorzystujące układy robocze z komorą zamkniętą (rys. 2a), charakteryzują się niższym zużyciem energii na jednostkę otrzymanego produktu oraz możliwością zagęszczania różnych materiałów pochodzenia roślinnego w tej samej komorze zagęszczającej. Do ich wad należy zaliczyć skomplikowany mechanizm zamykania i otwierania komory oraz małą wydajność.

Urządzenia wykorzystujące układy robocze z komorą otwartą (rys. 2b) mają prostszą konstrukcję i większą wydajność. Do ich wad należy zaliczyć zwiększoną energochłonność procesu oraz stosowanie różnych komór zagęszczających (w zależności od materiału użytego do zagęszczania). Zwiększona energochłonność, która jest wynikiem wzrostu sił tarcia, w przypadku brykietowania trocin czy wiórów jest czynnikiem w części pozytywnym (energia mechaniczna przy zamianie w ciepło powoduje uplastycznienie materiału, dzięki czemu powstają brykiety o lepszej jakości).

Zagęszczanie trocin (rozdrobnionej słomy) w urządzeniach (brykieciarkach) ze ślimakowym układem roboczym (rys. 2c) odbywa się przy pomocy ślimaka (1), matrycy (2) i stożkowego trzpienia (3). Otrzymywane brykiety charakteryzują się utwardzoną powierzchnią zewnętrzną i wewnętrzną cylindrycznego brykietu. Na zdjęciu przedstawiono widok brykietów otrzymanych w układzie roboczym brykieciarki HD-1 ze ślimakowym układem roboczym.

Widok brykietów (z trocin świerkowych, z trocin świerkowych z dodatkiem łuski gryki), Dzew = 70 mm, Dwew = 26 mm


Proces granulowania realizowany jest najczęściej w układach roboczych: „płaska matryca – rolki zagęszczające” oraz „pierścieniowa matryca – rolki zagęszczające” (rys. 2d i 2e). Przebieg procesu zagęszczania rozdrobnionych materiałów roślinnych w tych układach jest bardzo podobny. Zagęszczanie materiału odbywa się w obrębie klina utworzonego między rolką zagęszczającą a matrycą (rys. 2d i 2e).

Wykorzystanie jako opału surowców odpadowych pochodzenia roślinnego jest w pełni zasadne, a najlepszą formą wykorzystania tych surowców jest granulat i brykiety.

Produkcja brykietów opałowych z tych surowców powinna odbywać się w średnich i dużych gospodarstwach rolnych oraz w zakładach przetwarzających surowce roślinne.

Wyniki przeprowadzonych badań

Wyniki badań nad granulowaniem i brykietowaniem materiałów roślinnych oraz tendencji w konstrukcji i zapotrzebowania na urządzenia granulująco-brykietujące pozwoliły na sformułowanie kilku wniosków2. Układy robocze „płaska matryca – rolki zagęszczające” są najkorzystniejszym rozwiązaniem konstrukcyjnym w uniwersalnych urządzeniach o niewielkiej wydajności, „matryca otwarta – ślimak zagęszczający” – w przypadku produkcji ekologicznych brykietów opałowych z odpadów drzewnych i roślinnych.



Także układ roboczy „płaska matryca – rolki zagęszczające” ma swoje zalety. Płaskie mocowanie matrycy eliminuje niebezpieczeństwo jej pękania, a mała prędkość wału napędowego – powstawanie wibracji. Duże średnice rolek zagęszczających pozwalają na stosowanie dużych łożysk, przez co zwiększa się ich okres eksploatacji. Wymiana matrycy (do aglomerowania różnych materiałów) jest łatwa, a koszty wytwarzania matrycy i rolek zagęszczających – niewysokie. Możliwe jest ponadto obustronne wykorzystanie matrycy, a także łatwa regeneracja matrycy i rolek zagęszczających. Większa jest też objętość materiału pomiędzy matrycą a rolką (w porównaniu z matrycą pierścieniową) oraz powierzchnia otworów, których notabene jest więcej niż w matrycy pierścieniowej. Warto też pamiętać, że prędkość obwodowa rolek jest mała, przez co jest korzystny mechanizm wciągania materiału pomiędzy matrycę a rolkę zagęszczającą.
Źródła

  1. Demianiuk L.: Brykietowanie rozdrobnionych materiałów roślinnych. Praca doktorska. Politechnika Białostocka. Białystok 2001.

  2. Hejft R.: Ciśnieniowa aglomeracja materiałów roślinnych. Biblioteka Problemów Eksploatacji. ITE. Radom 2002.

  3. Obidziński S.: Ciepło spalania i wartość opałowa odpadowych surowców pochodzenia roślinnego. „Inżynieria Rolnicza” 4(37)/2002.

  4. Obidziński S.: Ciepło spalania i wartość opałowa kory drzew liściastych i iglastych. „Inżynieria Rolnicza” 5(60)/2004.

  5. Kordylewski W. i in.: Spalanie i paliwa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2001.

  6. Obidziński S.: Granulowanie materiałów roślinnych w pierścieniowym układzie roboczym granulatora. Praca doktorska. Politechnika Białostocka. Białystok 2005.



prof. dr hab. Roman Hejft, dr inż. Sławomir Obidziński, Katedra Maszyn i Urządzeń Przemysłu Spożywczego, Politechnika Białostocka, Białystok



©absta.pl 2016
wyślij wiadomość

    Strona główna