Systemy jakości w produkcji i obrocie biopaliwami stałymi. Zajęcia III - Techniki i technologie produkcji brykietów. grupa 1, 2, 3

Transkrypt

1 Systemy jakości w produkcji i obrocie biopaliwami stałymi Zajęcia III - Techniki i technologie produkcji brykietów grupa 1, 2, 3

2 Brykietowanie Brykietowanie jest procesem, w którym materiał o odpowiednich cechach poddawany jest działaniu dużego ciśnienia, czasem i wysokiej temperatury. Podwyższona temperatura w materiałach linnocelulozowych (drewno, słoma itp.), powoduje częściową hydrolizę hemicelulozy oraz dekrystalizację celulozy, co powoduje uplastycznienie cząstek materiału *Hejft Oddziaływanie tych czynników powoduje spotęgowanie międzycząsteczkowych sił spajających, działających pomiędzy ziarnami prasowanej mieszaniny. Materiał po ustaniu działania ciśnienia zachowuje nadane cechy (kształt, gęstośd właściwa, trwałośd itp.). Proces zagęszczania materiału w brykieciarkach może byd realizowany na dwa sposoby. Pierwszy z nich to zagęszczanie materiału w strumieniu ciągłym. Podawanie i prasowanie realizowane jest za pomocą ślimaka o zmiennym skoku. Narzędzie to wykonując ruch obrotowy wymuszając przemieszczanie surowca wzdłuż otwartej komory, w której na skutek napotkanych oporów zachodzi proces zagęszczania. Drugim sposobem brykietowania jest zagęszczanie porcji materiału w komorze prasowania. Stosowane są dwa rodzaje komór otwarte i zamknięte. Porcja materiału podawana jest do komory prasowania gdzie następuje jej zagęszczanie w wyniku ciśnienia wywieranego przez ruch tłoka. W przypadku komór otwartych materiał przytrzymywany jest przez poprzednia porcję materiału, a w komorach zamkniętych przez dno komory. Rys. Schemat sposobów zagęszczania materiału; a - ciągły, b- cykliczny z komorą otwartą, c - cykliczny z komorą zamkniętą: 1 element wywierający ciśnienie zagęszczania, 2 prasowany materiał, 3 tuleja komory prasowania, 4 materiał zagęszczony brykiet, g wysokośd brykietu, s skok roboczy tłoka.

3 Napęd elementów wywierających ciśnienie w komorze prasowania może byd realizowany w sposób: - hydrauliczny (tłok) siła przekazywana na narzędzie prasujące, powodująca zgniot, pochodzi od sił ciśnienia przenoszonych przez ciecz, - mechaniczny (tłok, ślimak) narzędzie prasujące, za pośrednictwem różnych mechanizmów, otrzymuje napęd zazwyczaj od silnika elektrycznego. Brykieciarka tłokowa, hydrauliczna z komora otwartą Maszyny te wytwarzają brykiety cylindryczne o warstwowej, łamliwej budowie. Ich średnica waha się od 50 do 100 mm, a długośd rzadko osiąga dwukrotnośd średnicy. Ze względu na ograniczenia hydrauliki, wydajnośd tych maszyn rzadko przekracza 300 kg/h. Znajdują zastosowanie przy przetwarzaniu odpadów drzewnych w małych i średnich firmach, najczęściej stolarniach. Są również chętnie wykorzystywane w prasowaniu różnych odpadów z tworzyw sztucznych i metali kolorowych. Paliwa wytwarzane w tych maszynach w dużej mierze wykorzystywane są przez same firmy je wytwarzające, a nadmiar odsprzedawany jest małym i średnim odbiorcom.

4 Rys. Schemat cyklu pracy prasy tłokowej z komorą otwartą. 1 mechanizm podający materiał, 2 stempel zagęszczający szuflada, 3 tłok prasujący, 4 komora prasowania, 5 mechanizmu regulacji oporu prasowania (dzielona tuleja), 6 - komora zagęszczania, Zasada działania brykieciarki tłokowej z komorą otwartą jest następująca: I - mechanizm podający (1) (ślimak lub w niektórych przypadkach system grawitacyjny) napełnia komorę zagęszczającą (6) i prasującą (7) materiałem, II siłownik hydrauliczny (3) przesuwa tłok szuflady (2) w dolne położenie, powodując zamknięcie komory prasującej (7) i wstępne zagęszczenie brykietowanego materiału, III siłownik hydrauliczny przesuwa tłok prasujący (5), który z kolei napiera i prasuje materiał znajdujący się w tulei w kierunku poprzednio sprasowanego materiału, IV po osiągnięciu zakładanego ciśnienia brykietowania (najczęściej do 100 MPa) siłownik hydrauliczny mechanizmu regulacji oporu prasowania (9), zwalnia docisk tulei umożliwiając przepchnięcie brykietowanego materiału w kierunku wylotu w celu zwolnienia miejsca na następną operację prasowania. Badania prowadzone przez autorów dotyczące brykietowania rozdrobnionej wierzby pozwoliły określid między innymi nakłady energetyczne w zależności od ciśnienia aglomeracji. Materiał w badaniach stanowiła wierzba rozdrobniona na młynie bijakowym firmy POR, gdzie wielkośd frakcji uzyskiwanej masy jest ustalana poprzez wymianę sit (10 mm) o wilgotności 14,5 %. W celu określenia nakładów energetycznych *Wh/kg+ w procesie brykietowania dokonano rejestracji zużycia energii przy pomocy miernika parametrów sieci N12p firmy Lumel i odniesiono je do uzyskanej masy brykietów. Brykieciarka hydrauliczna firmy POR wyposażona była w tuleję roboczą o średnicy 50 mm. Wydajnośd teoretyczna maszyny wynosi 100 kg/h.

5 Rys. Brykieciarka firmy POR model Junior brykiet cm Ø 50 max dł. brykietu cm 60 produkcja kg/h 30/50 moc silnika kw 5,5 waga kg 680 średnica zasobnika cm 1000 wydajnośd pompy l/min 40 Przeprowadzone badania pozwoliły określid nakłady energetyczne ponoszone w procesie brykietowania masy wierzbowej. Uzyskane wyniki jednoznacznie wskazują, iż przy wzroście ciśnienia aglomeracji nakłady energetyczne wzrastają osiągając przy ciśnieniu 47MPa wartośd 88,03 Wh/kg. Rys. Wykres zmian energochłonności procesu brykietowania w

6 zależności od ciśnienia aglomeracji Badania procesu aglomeracji prowadzone na materiałach wykazały, iż wilgotnośd powyżej 15 % powoduje spadek jakości uzyskiwanych brykietów w szczególności spadek trwałości. Rys. Widok brykietu z materiału o wilgotnośd 17%. Foto: K. Mudryk Brykieciarka tłokowa, hydrauliczna z komorą zamkniętą Maszyny te przeznaczone są do prasowania jednofazowego brykietów o większych wymiarach (objętośd rzędu cm 3 ). Ich wydajnośd w zależności od producenta waha się od 30 do 1500 kg/h. Zasada działania brykieciarki tłokowej z komorą zamkniętą jest następująca: I - mechanizm podający (1) napełnia komorę zagęszczającą (6) materiałem, II siłownik hydrauliczny (3) przesuwa szufladę (2) w dolne położenie, powodując zamknięcie komory prasującej i wstępne zagęszczenie brykietowanego materiału, III siłownik hydrauliczny przesuwa tłok prasujący (5), który z kolei napiera i prasuje materiał znajdujący się w tulei w kierunku komory prasującej. Jednocześnie ruch ten powiązany jest z mechanizmem wypychającym (7) surowiec poprzednio sprasowany, IV po sprasowaniu zakładanej porcji materiału stempel prasujący wycofuje się do położenia początkowego, a mechanizm zmiany komór prasujących podmienia komorę napełnioną na pustą.

7 Rys. Schemat cyklu pracy prasy tłokowej z komorą zamkniętą 1 mechanizm podający materiał, 2 tłok zagęszczający szuflada, 3 tłok prasujący, 4 mechanizm wypychający brykiet, 5 komora prasowania, 6 - komora zagęszczania, 7 mechanizm zmiany komór Jednym z pierwszych producentów tego typu maszyn była firma niemiecka RUF GmbH & Co.KG. Oferuje maszyny o szerokim zakresie wydajności dostosowanych do wymagao rynku. W tabeli 42 przedstawiono specyfikację brykieciarek tej firmy. Popularnośd i renoma tej firmy oraz wytaczany, charakterystyczny znak firmowy spowodowały, że również ta forma brykietu potocznie nazywana jest brykietem ruf.

8 Rys. Brykiet wykonany przez brykieciarkę firmy RUF. Źródło: firma RUF Skomplikowany mechanizm zamykania i otwierania komory zagęszczania powoduje, iż na rynku jest niewielu producentów tego typu maszyn. Do zalet należy zliczyd małą energochłonnośd procesu brykietowania, wytrzymałośd narzędzi oraz możliwośd aglomeracji różnych materiałów. Brykieciarki tego typu znajdują zastosowanie przy przetwarzaniu odpadów drzewnych, papierowych, z tworzyw sztucznych i metali kolorowych w firmach, na cele utylizacyjne i komercyjne. Brykiety te najczęściej wykorzystywane są jako paliwo w kominkach i piecach z ręcznym załadunkiem. Tab. Specyfikacja brykieciarek firmy RUF Źródło: firma RUF Jednym z producentów takich maszyn w Polsce jest

9 firma WROPOL ENGINEERING. Maszyny te występują w kilku wariantach zależnych od wydajności (do 500 kg/h), a tym samym od zainstalowanej mocy (do 30 kw). Rys. Brykieciatka hydrauliczna firmy Wropol model Bison II Speedy 300: zasilanie 3x400 V, 50 Hz silnik elektryczny 18,5 kw wydajnośd 300 kg/h format brykietu kostka 120 mm x 60 mm x 80 mm waga 2200 kg Foto: K. Mudryk Brykieciarka stemplowa korbowodowa Maszyna ta wytwarza brykiety cylindryczne, najczęściej o średnicy od 40 do 120 mm i długości do 300 mm. Charakteryzuje się dużą rozpiętością wydajności (od 150 do 2500 kg/h) i dużym ciśnieniem prasowania (do 150 MPa). Brykiet, ze względu na impulsową pracę stempla, posiada warstwową strukturę (warstwy o grubości od kilku do kilkunastu mm). Struktura ta powoduje, że brykiety dośd łatwo ulegają rozwarstwianiu i kruszeniu w dalszych procesach technologicznych. Powyższe cechy predysponują to paliwo do przemysłowego wykorzystania w kotłowniach o średniej i dużej mocy.

10 Rys. Schemat cyklu pracy prasy korbowodowej. 1 mechanizm korbowodowy lub mimośrodowy, 2 prowadnica suwaka, 3 stempel prasujący, 4 mechanizm podający surowiec, 5 komora zagęszczania, 6 komora prasowania Zasada działania brykieciarki stemplowokorbowodowej jest następująca: I - materiał podawany jest i wstępnie zagęszczany w sposób ciągły, przez śrubowy mechanizm podający (4), do komory wstępnego zagęszczania (5). II- z komory tej surowiec jest wybierany i przesuwany cyklicznie, przez tłok prasujący (3), w stronę komory prasującej (6). Tłok ten pracuje z dużą częstotliwością (2 4 cykli na sekundę), ruchem posuwisto-zwrotnym, połączony jest sztywno z suwakiem (2). III IV - suwak z kolei połączony jest z mechanizmem korbowodowym (lub mimośrodowym) (1) zamieniającym ruch obrotowy, pochodzący od silnika elektrycznego, w ruch posuwisto-zwrotny. Na osi wału dla zwiększenia momentu pracy umieszczone jest koło zamachowe. W tulei stożkowej materiał, z każdym uderzeniem stempla przesuwany jest skokowo i poddawany krótko dużemu ciśnieniu dochodzącemu do 200 MPa. Na skutek działania wysokiego ciśnienia i dużych sił tarcia (międzycząsteczkowego jak i o ścianki tulei prasujących) wytwarza się temperatura dochodząca do 150ºC. Po sprasowaniu w tulei skośnej materiał przesuwany jest dalej do walcowej części tulei. Tam ma on określony czas na wstępne ustabilizowanie i wyrównanie ciśnienia, temperatury i struktury. Po wyjściu brykietu z komory prasującej jest on kierowany do

11 specjalnych kilku lub kilkunastometrowych prowadnic. W prowadnicach tych brykiet ostatecznie oddaje wilgod (3 5%) i temperaturę uzyskując pożądane cechy mechaniczne i fizyczne. Widok zestawu maszyn brykietujących opisaną metodą przedstawiono na rysunku ponizej. Rys. Zestaw brykieciarek tłokowych mechanicznych firmy Stravis [Foto: K. Mudryk] Brykieciarka ślimakowa Maszyny te prasują rozdrobniony materiał w sposób ciągły, pod ciśnieniem przekraczającym 100 MPa i w temperaturach nierzadko przekraczających 200 º C. Duże siły tarcia i temperatury pracy wymuszają w tych prasach, stosowanie materiałów bardzo wytrzymałych i odpornych na ścieranie i temperaturę. Bardzo duże wymagania w stosunku do produkcyjnych brykieciarek ślimakowych sprawiają, że liczba firm mających je w swojej ofercie jest stosunkowo niewielka. Brykieciarki ślimakowe charakteryzują się dużą rozpiętością wydajności, dlatego znajdują zastosowanie w firmach dysponujących zarówno małą jak i dużą ilością surowca. W prasach tych powstają brykiety o różnych kształtach przekroju poprzecznego, najczęściej okrągłych, ale i sześcio i ośmiokątnych, z otworem w środku. Ich średnica oscyluje wokół 60 mm, a długośd jest regulowana przez cięcie bądź łamanie. Są one spalane najchętniej w tradycyjnych piecach i kominkach z ręcznym załadunkiem.

12 Rys.137. Schemat cyklu pracy prasy ślimakowej: 1 system podający surowiec, 2 czterostrefowa komora zagęszczania, 2a strefa podawania i odpowietrzania, 2b strefa zagęszczania, 2c strefa wstępnego prasowania, 2d strefa brykietowania, 3 ślimak prasujący, 4 grzałka W Polsce największą popularnośd zdobyły brykieciarki tłokowe zarówno hydrauliczne jak i mechaniczne. Brykieciarki ślimakowe wykorzystywane są jeszcze w mniejszym stopniu ze względu na kształtujący się dopiero rynek brykietów kominkowych. W tab. przedstawiono specyfikacje techniczne najczęściej wykorzystywanych maszyn do brykietowania biomasy. Tab. Specyfikacja techniczna brykieciarek Brykieciarki hydrauliczne tłokowe Alchemik (wybrane modele) Parametr Jed. MODEL APT 35 APT 60 APTWJ Wydajnośd [kg/h] do 25 do 100 do 200 Moc silnika [kw] 4 5,5 18 lub 22 Wymiary brykietu [mm] ø 50 ø x63x80 Ciśnienie hydrauliki [bar] max 210 max 210 max 230 Zużywana energia [kw/h] 2,4 3,5 13 Brykieciarki hydrauliczne tłokowe POR - ECOMEC (wybrane modele) Parametr Jed. MODEL Junior A6PLUS A100N OSCAR SUPER OSCAR Wydajnośd [kg/h]

13 Moc silnika [kw] 7, , Wymiary brykietu [mm] ø 50 ø 60 ø 65 ø 70 ø 70 Ciśnienie hydrauliki [bar] max 150 max 150 max 150 max 150 max 150 Zgniot hydrauliczny [kg/cm 2 ] Brykieciarki hydrauliczne tłokowe GROSS Aparatebau Gmbh (wybrane modele) Parametr Jed. MODEL GP 80 GP 150 GP 200 GP 150S GP 400S Wydajnośd [kg/h] Moc silnika [kw] 7,5 7, ,5 22 Wymiary brykietu [mm] ø 50 ø 70 ø 80 ø 70 ø 80 Masa maszyny [kg Zbiornik oleju [l] Brykieciarki tłokowe mechaniczne Parametr Jed. Firma/MODEL WAMAG/ BT 86M A WEKTOR/ BT 60 Wydajnośd [kg/h] 250± Moc silnika [kw] 18,5 23 Wymiary brykietu [mm] ø 50 ø 60 Masa maszyny [kg ~ Wilgotnośd materiału [%] Brykieciarki mechaniczne ślimakowe ASKET (wybrane modele) Parametr Jed. MODEL Biomasser Solo BS 06 Biomasser DUO BS 210 Wydajnośd [kg/h] Moc silnika [kw] 4,2 12,5 Wymiary brykietu [mm] ø 70 ø 70 Masa maszyny [kg Wilgotnośd materiału [%] Źródło: opracowanie własne na podstawie materiałów firmy Alchemik, Deta Polska, Gross, Wamag, Wektor oraz Asket.

14 Innym typem brykieciarki, pozostającym jeszcze w fazie badao, jest brykieciarka walcowa wytwarzająca brykiety ze słomy poprzez jej zwijanie. Idea takiego sposobu brykietowania powstała w latach 50. ubiegłego wieku w USA gdzie opatentowano tego typu brykieciarkę do kiszonki i sianokiszoki. W latach 70. w krajach Europy Zachodniej oraz w Polsce prowadzono badania nad konstrukcją maszyn polowych oraz stacjonarnych, brykietujących siano, co pozwoliło na 10 a nawet 20 krotne zmniejszenie jego objętości [Olejnik 1974, Olszewski1973]. W maszynach tych materiał podawany jest z boku do komory prasowania, składającej się z czterech obracających się w tym samym kierunku walców. W komorze następuje zwijanie i zagęszczanie podanego materiału a tworzący się brykiet stopniowo wysuwa się z przedniej części komory. Stopieo zagęszczenia materiału regulowany jest poprzez zmianę kąta skręcenia osi walców w stosunku do osi symetrii komory. Badania prowadzone przez zespół badawczy w Przemysłowym Instytucie Maszyn Rolniczych w Poznaniu na prototypowej brykieciarce walcowej wykazały, że brykiet wykonany tą metodą charakteryzuje się wysoką trwałością (80 93%) zależną od kąta skręcenia walców (0º - 20º) [Adamczyk i in a i b] 1 2 Rys. Model brykieciarki walcowej: 1 walce zwijające, 2 kierunek podawania materiału, 3 brykiet Źródło: F. Adamczyk 3 a) b)

15 Rys. Prototypowa brykieciarka walcowa wykonana w Przemysłowym Instytucie Maszyn Rolniczych w Poznaniu: a komora brykietująca, b płyta przednia (czołowa) z obrotową tarczą umożliwiającą zmianę położenia osi walców względem osi komory brykietującej. Źrodło: Adamczyk i in. 2006