Logistyczne aspekty w procesie produkcji biomasy w postaci brykietów

Transkrypt

1 Monika Pecyna 1, Monika Stoma 2, Tomasz Słowik 3 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Logistyczne aspekty w procesie produkcji biomasy w postaci brykietów Wstęp Bioenergia w dzisiejszych czasach cieszy się coraz większym zainteresowaniem oraz pokłada wiele nadziei. Przyjmuje się, iż bioenergia zmniejsza emisję CO2, pozwala na zachowanie zasobów nieodnawialnych, zwiększa bezpieczeństwo energetyczne oraz wspiera rozwój regionalny, a także tworzy wiele nowych miejsc pracy na terenach wiejskich. Biomasa to bardzo uniwersalne źródło energii, które wytwarza zarówno energię elektryczną, jak również cieplną oraz biopaliwa do stosowania w sektorze transportowym. Jest ona jednym z niewielu odnawialnych źródeł energii, które może być magazynowane i może generować energię na żądanie. Środowisko akademickie jest również bardzo zainteresowane eksploatacją energii z biomasy. Zostały przeprowadzone liczne badania w tematyce prognozowania udziału biomasy w przyszłości dostaw energii, zarówno na poziomie regionalnym i na poziomie globalnym. Wszystkie te badania stwierdzają, iż wykorzystanie biomasy będzie znacząco wzrastać w nadchodzących latach [13]. Zarówno pelety jak i brykiety są powszechnie stosowane i wybierane przez klientów indywidualnych oraz przedsiębiorstwa i elektrociepłownie. Wpływają one pozytywnie na środowisko naturalne, przez co sprzyjają ograniczeniu emisji gazów cieplarnianych. Posiadają wysokie wartości opałowe porównywalne do właściwości węgla kamiennego. Jednakże nieprzetworzone surowce roślinne są problematyczne w logistyce, transporcie i magazynowaniu. Dlatego też konieczne jest ich przetworzenie na granulaty w postaci peletów bądź brykietów. Proces granulowania surowców do postaci brykietów Brykiety wytwarzane są z różnych rodzajów słomy np. pszennej, kukurydzianej, a także z roślin energetycznych i zrębków. Wartość energetyczna końcowego produktu jakim jest brykiet ze słomy mieści się w przedziale 13,1-20,1 MJ. kg -1, zależy jednak od wielu czynników logistycznych, takich jak odpowiednie miejsce składowania i magazynowania surowca, jego wilgotność i warunki transportu [14]. Aby zapewnić ciągłość produkcji brykietów i odpowiednie gospodarowanie zapasami wiele przedsiębiorstw stosuje wyspecjalizowane systemy informatyczne. Są one pomocne w opracowywaniu harmonogramów dostaw biomasy, tak by produkt końcowy został wytworzony na czas [7]. Istotnymi czynnikami, od których zależy efektywność wytwarzania i samych produktów z biomasy są wilgotność i koncentracja energii w jednostce objętości. Dlatego też należy zwracać szczególną uwagę na przygotowanie oraz aglomerację surowców i produktów z biomasy. Do tego procesu służą różnego rodzaju maszyny i urządzania, pośród których można wyróżnić: sieczkarnie, prasy, suszarki, rozdrabniacze i pelciarki lub brykieciarki. Hejft pisze, iż ciśnieniowa aglomeracja materiałów pochodzenia roślinnego (granulowanie, brykietowanie) jest procesem, w którym rozdrobniony materiał, pod działaniem sił zewnętrznych i wewnętrznych, ulega zagęszczeniu, a otrzymany produkt (aglomerat) uzyskuje określoną, stałą formę geometryczną [4]. Brykiety mogą mieć różne kształty, np. walcowaty, kwadratowy, sześciokątny oraz zróżnicowane właściwości fizyczne i mechaniczne [8]. Ma to związek z rodzajem stosowanych urządzeń zagęszczających stąd 1 mgr inż. M. Pecyna, doktorantka, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Środków Transportu 2 dr hab. M. Stoma, adiunkt, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Środków Transportu 3 dr inż. T. Słowik, adiunkt, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Energetyki i Środków Transportu Logistyka 5/

2 też stotny jest prawidłowy dobór urządzeń zagęszczających i ich parametrów roboczych do właściwości fizycznych i chemicznych biomasy [2, 11, 12]. Linię technologiczną do procesu brykietowania tworzą maszyny i urządzenia stanowiące zamknięty cykl technologiczny. Proces brykietowania składa się z zabiegów takich jak: zbiór, wstępne rozdrabnianie, suszenie, rozdrabnianie końcowe, mieszanie, formowanie (brykietowanie), schładzanie i pakowanie (Rysunek 1) [15, 16]. Rysunek 1. Proces produkcji brykietów z biomasy roślinnej źródło: opracowanie własne Na proces technologiczny powstawania brykietu składa się wiele faz, z których początkową fazę stanowi rozdrobnienie surowca. Etap ten przebiega przy pomocy różnych urządzeń rozdrabniających, do których można zaliczyć rębaki, młyny i sieczkarnie. Jeśli po rozdrobnieniu surowiec nie uzyskał wilgotności ok. 15%, należy wprowadzić go do suszarni bębnowej. Surowiec posiadający wyższą zawartość wody niż 15% może pogorszyć jakość ostatecznego produktu końcowego [10]. Następną fazą jest transport podajnikiem ślimakowym rozdrobnionego i osuszonego surowca do zbiornika buforowego. Na tym etapie można dołączyć inne składniki mieszaniny, np. trociny, słomę, a także dodatki ziaren, aby zwiększyć efektywność brykietu. Następnie surowiec zostaje przeniesiony do kosza zasypowego brykieciarki. Wysoka temperatura w drewnie i słomie powoduje lepszą plastyczność cząstek materiału i utworzenie się brykietu o określonych właściwościach fizycznych i chemicznych [3]. W zależności od parametrów oczekiwanego produktu końcowego i charakterystyki surowca używane są różnego typu brykieciarki i urządzenia pomocnicze. Do produkcji brykietu najczęściej stosuje się brykieciarki tłokowe mechaniczne i hydrauliczne, ślimakowe, walcowe. W brykieciarkach tłokowych mechanicznych rozdrobniony materiał na początku jest podawany do zasobnika, w którym znajduje się ślimacznica wstępnie zagęszczająca surowiec. Następnie jest on podawany do właściwej komory zasypowej, gdzie dzięki cyklicznym ruchom trafia do komory prasującej. Częste uderzenia tłoka, tj cykli na minutę, oraz tarcie międzycząsteczkowe, powodują podwyższanie się temperatury zagęszczanego surowca do 150 o C i ciśnienia na poziomie 200 MPa. Kolejnym etapem jest schłodzenie brykietu, które odbywa się w prowadnicy przy wylocie z komory zagęszczania, gdzie dochodzi także do ostatecznego uformowania i nadania kształtu oraz innych cech fizycznych i mechanicznych produktu końcowego. Brykiet z brykieciarek tłokowych mechanicznych posiada cylindryczny kształt o średnicy mm, długości dochodzącej do 300 mm, a wydajność brykieciarek osiąga kg. h -1 [5]. 456 Logistyka 5/2015

3 Wśród brykieciarek tłokowych hydraulicznych można wyróżnić brykieciarki z komorą otwartą i komorą zamkniętą. Brykieciarka tłokowa hydrauliczna z komorą otwartą rozpoczyna swoją pracę od napełnienia komory zagęszczającej i prasującej rozdrobnionym materiałem dzięki zastosowaniu podajnika ślimakowego. W kolejnym etapie siłownik hydrauliczny przesuwa stempel w dolne położenie, tak, aby zamknąć komorę prasującą. Dzięki temu następuje wstępne zagęszczenie brykietowanego materiału. Następna faza to przesunięcie stempla prasującego przez siłownik hydrauliczny. Materiał zostaje ponownie prasowany i zagęszczany do momentu osiągnięcia ok. 100 MPa. Wówczas siłownik hydrauliczny mechanizmu regulacji oporu prasowania zwalnia docisk umożliwiając wypchnięcie powstałego brykietu w celu zwolnienia miejsca na kolejną operację. Brykiety z brykieciarek tłokowych hydraulicznych mają cylindryczny kształt o średnicy mm i długości mm, a wydajność brykieciarek dochodzi do 300 kg. h -1 [6]. W brykieciarce tłokowej hydraulicznej z komorą zamkniętą rozdrobniony materiał jest poddawany wstępnemu prasowaniu w komorze zagęszczającej. Stempel napędzany siłownikiem hydraulicznym prasuje surowiec. Następnie nacisk tłoka w kierunku poziomym powoduje właściwe zagęszczanie materiału i wypchnięcie produktu w postaci brykietu. Brykiety mają średnicę około mm, długość do 300 mm a wydajność brykieciarki tłokowej hydraulicznej z komorą zamkniętą wynosi kg. h -1 [1]. Brykieciarki ślimakowe zagęszczają rozdrobniony materiał w sposób nieprzerwalny pod ciśnieniem do 100 MPa i temperaturze ok. 200 o C. Praca brykieciarki ślimakowej opiera się na kilku fazach. Początkowo rozdrobniony materiał trafia do komory prasowania, gdzie zostaje sprasowany przez ślimak zagęszczający. Temperatura wówczas wzrasta nawet do 300 o C i korzystnie wpływa na kształtowanie się produktu ostatecznego. Brykiety wytworzone w brykieciarkach ślimakowych posiadają wewnątrz otwory, które utworzyły się poprzez działanie śrubowej końcówki prowadzącej ślimaka. Następnie z komory zagęszczania są prowadzone do prowadnicy, gdzie następuje obniżenie temperatury i wilgotności. Wytworzone brykiety posiadają średnicę mm i długość od kilku do kilkunastu centymetrów, a wydajność w brykieciarkach ślimakowych wynosi kg. h -1 [9]. Tab.1. Rodzaje brykieciarek i ich parametry Rodzaje brykieciarek brykieciarki tłokowe mechaniczne brykieciarki tłokowe hydrauliczne z komorą otwartą brykieciarki tłokowe hydrauliczne z komorą zamkniętą brykieciarki tłokowe hydrauliczne z komorą zamkniętą Wydajność [kg. h -1 ] Wielkość otrzymanego brykietu średnica [mm] długość [mm] < < < < 300 brykieciarki ślimakowe < 300 źródło: opracowanie własne Największą wydajność wykazują brykieciarki tłokowe mechaniczne, gdyż osiągają one kg. h -1, a średnica otrzymanego brykietu to mm przy długości dochodzącej do 300 mm. Najmniejszą wydajność posiadają brykieciarki ślimakowe, tj kg. h -1, a wytwarzany brykiet posiada średnicę około mm przy długości mniejszej niż 300 mm. Logistyka 5/

4 Podsumowanie Stosowanie brykietów jest w dzisiejszych czasach równie popularne jak stosowanie peletów. Brykiety wybierane są głównie przez elektrociepłownie, a także klientów indywidualnych posiadających własne gospodarstwa. Wówczas wykorzystują oni zalegające pozostałości pożniwne i przetwarzają na brykiet. Ważnym zagadnieniem jest właściwy cykl procesu granulowania surowca, który składa się z następujących etapów: zbiór, wstępne rozdrabnianie, suszenie, rozdrabnianie końcowe, mieszanie, formowanie (brykietowanie), schładzanie i pakowanie. Dobór odpowiednich maszyn do wytwarzania brykietu wpływa na jakość produktu końcowego oraz na wydajność procesu brykietowania. Największą wydajnością cieszą się brykieciarki tłokowe mechaniczne, osiągają one kg. h -1, a średnica otrzymanego brykietu to mm przy długości dochodzącej do 300 mm. Najmniejszą wydajność posiadają brykieciarki ślimakowe, tj kg. h -1, a wytwarzany brykiet posiada średnicę około mm przy długości mniejszej niż 300 mm. Ważne jest, aby logistyka dystrybucji zarówno surowca, jak i produktu odbywała się w warunkach optymalnych dla surowca roślinnego, jak i zagęszczonego materiału. Streszczenie Biomasa w postaci brykietu należy do odnawialnych źródeł energii cieszących się dużym zainteresowaniem. W artykule przedstawiono autorski algorytm procesu produkcji brykietów z biomasy roślinnej. Proces brykietowania składa się z następujących etapów: zbiór, wstępne rozdrabnianie, suszenie, rozdrabnianie końcowe, mieszanie, formowanie (brykietowanie), schładzanie i pakowanie. W procesie produkcji brykietu istotny jest dobór odpowiednich maszyn i urządzeń, które pomogą w wytworzeniu produktu o wysokiej jakości. Proces logistyki pozyskiwania, produkcji i transportu biomasy w postaci brykietów powinien być przeprowadzony w sposób zapobiegający utraty właściwości energetycznych produktu finalnego. LOGISTICAL ASPECTS IN THE PRODUCTION PROCESS OF BIOMASS IN THE FORM OF BRIQUETTES Abstract The biomass in the form of briquettes belongs to renewable energy sources enjoying a great popularity. The article presents the author's algorithm production process plant biomass briquettes. Briquetting process consists of the following steps: collection, pre-grinding, drying, fine grinding, mixing, forming (compacting), chilling and packaging. In the process of production of briquettes is important to selection of appropriate machinery and equipment to help in the production of high quality product. The process of acquisition logistics, production and transportation of biomass in the form of pellets should be conducted in a manner that prevents the loss of the energy properties of the final product. Literatura [1] Davies R. M., Davies O. A., Effect of Briquetting Process Variables on Hygroscopic Property of Water Hyacinth Briquettes. Journal of Renewable Energy, [2] Frączek J.(red.), Optymalizacja procesu produkcji paliw kom paktowanych wytwarzanych z roślin energetycznych, Wyd. PTIR, Kraków, [3] Hejft R., Ciśnieniowa aglomeracja materiałów roślinnych, Politechnika Białostocka, [4] Hejft, R., Granulowanie i brykietowanie słomy, Inżynieria i Aparatura Chemiczna, 2011, 50(1), s [5] Hu, J., Lei, T., Shen, S., & Zhang, Q., Research on Influence Mechanism of Physical and Chemical Characteristics of Straws on Briquetting Process. Journal of Bioprocess Engineering and Biorefinery, 1(2), , [6] Kołodziej B., Matyka M. (red.), Odnawialne źródła energii. Rolnicze surowce energetyczne. PWRiL, Logistyka 5/2015

5 [7] Krygier D., Budzik R., Planowanie zaopatrzenia materiałowego z wykorzystaniem systemu informatycznego. Logistyka, 6, 2013 [8] Niedziółka I., Sobczak P., Zawiślak K., Analiza wykorzystania wybranych surowców roślinnych do produkcji biopaliw stałych, Autobusy Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, 2010, Nr 11. s [9] Niedziółka I., Szpryngiel M., Wpływ temperatury na gęstość i trwałość brykietów wytworzonych w brykieciarce ślimakowej. Inżynieria Rolnicza, 2013, Z. 3(145) T.1, s [10] Stolarski, M. J., Szczukowski, S., Tworkowski, J., Krzyżaniak, M., Gulczyński, P., & Mleczek, M., Comparison of quality and production cost of briquettes made from agricultural and forest origin biomass. Renewable Energy, 57, 20-26, [11] Sun B., Yu J., Tahmasebi A., Han Y., An experimental study on binderless briquetting of Chinese lignite: Effects of briquetting conditions. Fuel Processing Technology, 124, 2014, [12] Szyszlak-Bargłowicz J., Piekarski W., Charakterystyka biomasy jako paliwa [W:] Jackowska I. (red.) Biomasa jako źródło energii, Wyd. Wieś Jutra, 2009, s [13] Szyszlak-Bargłowicz J., Zając G., Słowik T., Łańcuch dostaw biomasy na cele energetyczne, Logistyka, 2014, 6, CD 1: [14] Zając G., Szyszlak-Bargłowicz J., Słowik T., Baryła-Paśnik M., Logistyka dostaw biomasy rolniczej dla energetyki zawodowej. Logistyka, 6, [15] Zuchniarz A., Szymanek M., Niedziółka I., Dreszer K., Charakterystyka brykietów z biomasy roślinnej wytworzonych w wybranych rodzajach zespołów zagęszczających, Technika Rolnicza, 2009, Ogrodnicza i Leśna, 2, s [16] [dostęp z dnia r.] Logistyka 5/

6 460 Logistyka 5/2015