Využití kladívkového drtiče při výrobě pevných biopaliv

Jiří Souček, Josef Maloun Článek je převzat ze sborníku z mezinárodní vědecké konference \"Zemědělská a zahradnická technika z hlediska environmentální politiky státu\", která se konala 29.-30. kvetna 2003 v Lednici. Abstract In case of pressed composite biofuels production the important part of the production process is the disintegration. The Specific consumed energy is dependent on disintegrated material properties, disintegration device, grinding stage and technological process. Relative high savings can be reached through correct choice of technological process and device. The authors of the paper have measured energy consumption of disintegration of lignocellulose materials at grinding mill. By the realized measurement of different average size of both input and output particles and consequent statistical evaluation was proved the fiducial energy consumption increase at higher stage of disintegration and higher moisture of the input material. The output particles size was limited by the exchange sieves mesh dimension Key words: disintegration, hammer mill, biofuels, biomass, consumption of energy Abstrakt Při výrobě pevných biopaliv je nezbytnou složkou výrobního procesu desintegrace. Výše spotřebované energie závisí na vlastnostech desintegrovaného materiálu, desintegračním zařízení, stupni rozmělnění a technologickém postupu. Správnou volbou technologického postupu a zařízení lze dosáhnout poměrně velikých úspor. Autoři příspěvku měřili velikost spotřebované energie při desintegraci lignocelulózových materiálů na kladívkovém šrotovníku. Provedeným měřením při různých průměrných velikostech vstupních a výstupních částic a následným statistickým vyhodnocením byl prokázán předpokládaný nárůst energetické spotřeby při vyšším stupni desintegrace a vyšší vlhkosti vstupního materiálu. Velikost výstupních částic byla dána velikostí otvorů používaných výměnných sít. Klíčová slova: desintegrace, šrotovník, biopaliva, biomasa, energetická spotřeba Úvod Hlavní složkou lisovaných biopaliv jsou lignocelulózové materiály rostlinného původu. Vlastnosti vstupního materiálu se řídí požadavky vlastního zařízení, zpravidla lisu. Lisy na výrobu briket a pelet kladou vysoké nároky na velikost vstupních částic. Maximální přípustná velikost částic se pohybuje u briketovacích lisů v desítkách mm3 u peletovacích v jednotkách mm3. Požadované velikosti částic lze v praxi dosáhnout mechanickými úpravami. Rozměrové úpravy jsou většinou nutným krokem. Výhoda těchto operací tkví především ve zjednodušení manipulace a snazším určení a popsání vlastností takto upravované suroviny. Mechanické úpravy jsou však energeticky náročné (Souček, 2000). Lignocelulózové materiály jsou značně heterogenní. Jejich fyzikální vlastnosti se v závislosti na působení okolních vlivů mění. Tyto vlastnosti ovlivňuje hlavně teplota, vlhkost a proudění vzduchu v průběhu skladování a manipulace. To jsou faktory na nichž závisí zejména obsah sušiny v materiálu a rychlost jeho vysoušení, případně navlhání (Kafka, 1989). Každý lignocelulózový materiál je složen ze sušiny s a vody (celkové vlhkosti) Wrt. s Wrt = 100% (1) Obsah vody v lignocelulózových materiálech využitelných jako paliva musí být nižší než padesát procent (Cenek, 2001). Aby bylo posouzení ostatních důležitých vlastností objektivní udáváme v dalších bodech článku při uvádění naměřených či laboratorně zjištěných hodnot vždy i okamžitý obsah sušiny. Dostupná literatura (Maloun, 2001) uvádí, že mlecí proces v kladívkovém šrotovníku probíhá ve dvou fázích: ve fázi desintegrační a ve fázi separační. Dezintegrační fáze je složena z mělnění následkem úderu a z opracování částic a jejich fragmentů následkem intenzivní abraze. Separační fáze nastává samovolně v mlecí komoře pod účinkem normálového zrychlení a vzdušného proudu vyplývajícího z ventilačního účinku rotoru. Oba jevy jsou důsledkem rotace kladívkového rotoru. Se separační fází je spojena prosévací úloha sítového pláště. Přibližně lze výkonnost kladívkového šrotovníku stanovit: Q = qs.(RK h) a . L (kg.s-1) (2) Kde: qs je měrné zatížení síta melivem (kg.m-2.s-1) RK je poloměr otáčení konců kladívek (m) h je velikost mlecí spáry (m) a je úhel opásání komory sítem (rad) Ekonomická a energetická bilance desintegrace byla v ČR zkoumána v rámci výzkumné činnosti Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích (Celjak, 1999). Zkoumaným procesem byla produkce topolové štěpky. Náklady na štěpkování (vlhkost 50 %) byly 152 Kč.t-1 (spotřeba energie 71,8 kWh.t-1). Celkové náklady na výrobu štěpky (produkce topolu, sklizeň, štěpkování, doprava, uskladnění) byla 1 280,60 Kč.t-1. Spalné teplo zkoumané štěpky bylo 18,3 MJ.kg-1 a výhřevnost finálního produktu (topolová štěpka, vlhkost 17 %) 14,7 MJ.kg-1. Spotřeba energie na desintegraci byla zkoumána ve Švédsku (Danielsson, 1990) v roce 1989. Testovaná zařízení byla: šnekový štěpkovač Sasmo HP-30 (Finsko), prototyp jednodiskového evolventního sekače (USDA, Forest Service, USA) a Švédský vývojový prototyp dvoudiskového sekače. Desintegrovaným materiálem byla osika a javor červený. Obsah vody v desintegrovaném materiálu byla 30%. Průměrná spotřeba energie na desintegraci byla 1,01 kWh.m-3 (osika, průměrná velikost výstupních částic 6,4 mm); 0,92 kWh.m-3 (osika, průměrná velikost výstupních částic 9,5 mm); 1,19 kWh.m-3 (javor červený, průměrná velikost výstupních částic 6,4 mm); 1,14 kWh.m-3 (javor červený, průměrná velikost výstupních částic 9,5 mm). Cílem práce autorů bylo stanovení energetické náročnosti drcení vybraných lignocelulózových materiálů na kladívkovém šrotovníku v závislosti na velikosti vstupní a výstupní frakce. Materiál a metody Velikost spotřeby energie je ovlivněna vlastnostmi drtícího zařízení.Proto všechna měření proběhla na jednom kladívkovém šrotovníku (viz obr. 1), který je od výrobce určen k drcení zrnin a stébelnin. Spotřebovávaná elektrická energie byla měřena na programovatelném analyzátoru elektrického výkonu a energie PROWATT-3, Chauvin Arnoux. Vkládání materiálu do šrotovníku je ruční. Rotor otáčející se kolem horizontální osy uložené kolmo ke vstupnímu otvoru s násypkou je osazen kladívky otočně upevněnými k rotoru pomocí čepů. Pohon rotoru je řešen převodem klínovým řemenem od elektromotoru. Výrobce šrotovníku garantuje parametry popsané v tabulce č. 1. Tab. 1: Parametry používaného šrotovníku počet kladívek 12 Příkon motoru 4 kW Otáčky motoru 1440 min-1 Otáčky drtiče 3600 min-1 hmotnost 100 kg výkon 300-500 kg.h-1 Velikost výstupní frakce je volena velikostí ok výměnného síta. Pro účely měření byla k dispozici síta Ø1, 3, 5, 8 a 10 mm. Úhel opásání síta je 180°. Výkonnost šrotovníku při měření byla 7-30 kg.h-1 v závislosti na průměru ok síta a drceném materiálu. Pro všechna měření byly zvoleny jednotné otáčky rotoru. Tím došlo k eliminaci chyb vzniklých rozdílnou úhlovou rychlostí kladívek rotoru a účinností převodu. Jako perspektivní zemědělské zdroje surovin reálně využitelné pro výrobu pevných biopaliv jsou chápány suroviny z těchto oblastí: zbytky z lesního hospodářství a zpracování dřeva, nepotřebné a zbytkové produkty rostlinné výroby, cíleně pěstované rostliny, odpadní biomasa vznikající při údržbě krajiny. S ohledem na praktickou významnost byly vybrány tyto materiály: Tab. 2: Měřené materiály a jejich základní parametry Drcená surovina Sušina s (hm. %) Výhřevnost Qri (MJ.kg-1) Velikost částic x (mm) smrková kůra 88,88 14,642 30 cypřišek 93,19 16,449 10 jabloň - výřez 89,99 16,338 10 sláma ovesná 86,29 13,688 80 Šťovík Uteuša OK - 2 86,91 14,310 30 chrastice 91.94 15,224 30 topol - štěpka 89,54 16,081 >25 vrba - výřez 88,83 15,620 30 miscanthus 85,80 15,250 30 bezinka 87,78 15,921 30 křídlatka suchá 90,82 15,277 30 křídlatka vlhká 80,34 13,231 30 Při konečném výpočtu spotřebované energie byl odpočítán příkon naprázdno potřebný k pohonu drtiče. Tím byl odstraněn vliv tohoto faktoru na absolutní hodnotu výsledných hodnot. Energie spotřebovaná na šrotování byla vztažena na hmotnost sušiny ve šrotovaných surovinách. Rozměrová příprava použitých surovin před vstupem do drtiče (mimo topolové štěpky >25 a ovesné slámy) byla provedena předdrcením na zahradním drtiči VIKING GE115. Energie spotřebovaná při předdrcení nebyla do výsledků vlastního měření započítána. Spotřeba energie se v prvním stupni drcení pohybovala pro jednotlivé plodiny v intervalu 3,5 - 7,3 Wh.kg-1. Topolová štěpka >25 byla naštěpována na mobilním deskovém štěpkovači TOMAHAWK M-P-180 (71 Wh.kg-1) a následně vytříděna na sítech na danou velikost frakce. Druhá výjimka je ovesná sláma, která byla pouze pořezána sklízecí řezačkou Claas jaguar 840 na řezanku 80 mm (17 Wh.kg-1 včetně sběru ze řádku). Průměrná délka částic po desintegraci při použití jednotlivých sít je zanesena v tabulce č. 3. Tab. 3: Průměrná délka částic po desintegraci pro jednotlivá síta Průměr ok síta (mm) Průměrná délka částice po desintegraci x (mm) 1 0,660 3 0,896 5 1,260 8 3,220 10 6,662 Všechny potřebné rozbory pro stanovení sušiny, spalného tepla a sítové analýzy byly provedeny v agrolaboratoři Výzkumného ústavu zemědělské techniky Praha. Výsledky a diskuse Měření energetické náročnosti jemné desintegrace biomasy bylo provedeno jako součást dlouhodobé činnosti Výzkumného ústavu zemědělské techniky zaměřené na výzkum a vývoj výrobních technologií a fyzikálních vlastností biopaliv. Naměřené a vypočtené hodnoty jsou zaneseny v grafech na obrázcích 2-5. Podle předpokladů se spotřeba energie potřebné na desintegraci zvětšuje se zmenšováním průměrné délky výstupních částic (průměru ok síta), ale též s vyšším obsahem vody. Při obsahu vody vyšším než 12 % se spotřeba energie pro malé průměry ok síta stává neúměrně vysokou. Z grafu na obr. 4 je patrné, že při šrotování na jemném sítu u křídlatky při poklesu obsahu vody z 19,66 na 9,18 % se energetická náročnost drcení sníží z 0,232 na 0,053 kWh.kg-1. Pro větší průměry sít (nad Ø 5mm) je energetická náročnost desintegrace srovnatelná. V grafu na obrázku 5 je znázorněna velikost energetické spotřeby pro různé velikosti vstupní frakce. Jednotlivé frakce byly získány separací topolové štěpky sítovým třídičem. Z naměřených a vypočtených hodnot vyplývá, že při desintegraci na průměrnou délku částic 0,66 mm (síto Ø 1 mm) se množství spotřebované energie pohybuje mezi 0,9 % (chrastice, sušina 91,9 %) a 13% (miscanthus, sušina 85,8%) celkového obsahu energie v materiálu. Při desintegraci na průměrnou délku částic 6,66 mm (síto Ø 10 mm) se množství spotřebované energie pohybuje mezi 0,1 % (šťovík, sušina 86,91%) a 0,5% (jabloň, sušina 89,99%). Závěr Pomocí praktických měření byly potvrzeny teoretické předpoklady, že se spotřeba energie potřebné na desintegraci zvětšuje se zmenšující se velikostí výstupních částic a rostoucí velikostí vstupní frakce. Při desintegraci na průměrnou délku částic 0,66 mm (síto Ø 1 mm) se množství spotřebované energie pohybuje mezi 0,9 % (chrastice, sušina 91,9 %) a 13% (miscanthus, sušina 85,8%) celkového energetického obsahu materiálu. Při desintegraci na průměrnou délku částic 6,66 mm (síto Ø 10 mm) se množství spotřebované energie pohybuje mezi 0,1 % (šťovík, sušina 86,91%) a 0,5% (jabloň, sušina 89,99%). Výsledný průběh závislosti měrné spotřebované energie na velikosti frakce lze popsat pro každou plodinu jako individuální mocninnou funkci (obecný tvar y=a.xb). Souhrn Využití kladívkového šrotovníku při desintegraci je možné, ale vyznačuje se malou výkonností a vysokou energetickou náročností vlivem ztrát. Při nedodržení požadovaných parametrů drceného materiálu nebo v případě nadměrného toku materiálu hrozí možnost samovznícení materiálu nebo destrukce stroje. Naopak vhodnou volbou parametrů stroje, který odpovídá exploatačním parametrům výrobní linky a dodržením požadovaných vlastností zpracovávané suroviny lze dosáhnout značných úspor. Výhoda kladívkového šrotovníku je jednoduchost konstrukčního řešení a nízké nároky na údržbu. Výsledky výzkumu prezentované v tomto článku byly získány v rámci řešení projektu Národní agentury zemědělského výzkumu QE 1208, Systémové využití biomasy v podmínkách ČR a výsledky získané při řešení projektu Národní agentury zemědělského výzkumu QD 1209, Technologické systémy pro využití biopaliv. Literatura CELJAK, I.: Wood chips production from fast growing woody plants, Farmer, 1999, č. 3, s.16-18 CENEK, M. a kol.: Obnovitelné zdroje energie, FCC public, Praha, 2001 DANIELSSON, B-O.: Chunkwood as wood fuel, The IEA Bioenergy Agreement Summary Reports, ELSEVIER APPLIED SCIENCE, New York, 1990 KAFKA, E.: Dřevařská příručka, SNTL Praha, 1989 MALOUN, J.: Technologická zařízení a hlavní procesy při výrobě krmiv, ČZU Praha, 2001 SOUČEK, J.: Méně tradiční způsoby získávání dřeva jako náhrady běžně používaných surovin. Less - traditional ways of wood acquisition as compensation of current used row materials. Nový venkov, 2000, č. 11, s. 52-53 Zdroj: CZ BIOM - www.biom.cz