Cechy peletów z biomasy roślinnej w aspekcie logistyki dostaw 5

Transkrypt

1 Aleksander Lisowski 1, Monika Kostrubiec 2, Magdalena Dąbrowska-Salwin 3, Adam Świętochowski 4 Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego Cechy peletów z biomasy roślinnej w aspekcie logistyki dostaw 5 Wstęp Biomasa, ze względu na swoje właściwości, związane głównie z małą gęstością objętościową [8] jest często konwertowana w formę kompaktową, jako pelety lub brykiety [1], co w znaczącym stopniu poprawia cechy paliwa stałego oraz staje się bardziej efektywną i ekonomiczną korzyścią w aspekcie logistyki dostaw [13]. Zwiększenie gęstości produktu ułatwia jego składowanie i transport oraz zmniejsza wymaganą wielkość kubatur magazynowych [13], co przekłada się na zmniejszenie kosztów magazynowania i obrotu handlowego [6]. Formowana biomasa ma większą wartość opałową, dochodzącą do 19,5 MJ/kg i mniejszą wilgotność, ze względu na konieczność jej zmniejszenia przed lub podczas aglomeracji ciśnieniowej surowca [7]. Temu celowi mogą służyć lepiszcza naturalne [16] lub specjalnie stosowane dodatki [4], wśród których węglan wapnia odgrywa istotną, ale jeszcze nie w pełni poznaną właściwość. Podczas aglomeracji ciśnieniowej molekuły węglanu wapnia łączą się w klastry, a następnie w sposób losowy tworzą skupiska zwane jądrami [22]. Ma on zdolność wiązania wody z biomasy i z tego powodu zwiększa się granica wilgotności zagęszczanego materiału [15]. Paliwo stałe z dodatkiem węglanu wapnia ma mniejszą temperaturę spalania, co wpływa na zmniejszenie NOx, a w procesie spalania wiąże siarkę tworząc siarczan wapnia. Ponadto zwiększa się temperatura topnienia popiołu, co zmniejsza szlakowanie w kotłach rusztowych [3]. Stosowane dodatki zwiększają trwałość wiązań [16], zmniejszają tarcie wewnętrzne między cząstkami i zewnętrzne [18], zmniejszając energochłonność aglomeracji ciśnieniowej [19] oraz zwiększając trwałość mechaniczną [12] i wytrzymałość aglomeratów [21]. Efektywność aglomeracji ciśnieniowej zależy również od wymiarów cząstek i im mniejsze cząstki, tym większa powierzchnia styku, co powoduje, że wiązania między cząstkami cechują się większą energią w przeliczeniu na jednostkę masy, niezależnie od ich właściwości fizykochemicznych [14]. Gęstość aglomeratów jest odwrotnie proporcjonalna do wymiarów cząstek [20]. Mani i in. [11] zalecają, aby mieszanina przeznaczona do produkcji peletów miała wymiary cząstek nie większe niż 3,2 mm, a Samson i in. [17] podają, że do produkcji brykietów najlepsze są cząstki o wymiarach poniżej 6 8 mm. Dobór odpowiedniej biomasy, jej rozdrobnienie, kondycjonowanie i stosowanie dodatków oraz prawidłowy proces aglomeracji ciśnieniowej pozwala na osiągnięcie dobrej jakości peletów, pod względem ich trwałości mechanicznej, a więc odporności na obciążenia zewnętrzne, które przenosi produkt podczas magazynowania i transportu. Ten łańcuch powiązań materiałowo-technologicznych wpływa na ostateczną formę peletów, które są dostarczane do zakładu energetycznego lub elektrociepłowni. W logistyce dostaw ważne są koszty w przeliczeniu na jednostkę masy, ale konieczne jest również dostarczenie produktu akceptowanego nie tylko ze względu na formę paliwa, ale także na ryzyko pożarowe, jakie stwarzają pelety łatwo rozkruszające się, sprzyjające powstawaniu pyłu, który odkłada się na elementach przenośników transportujących lub unosi się w postaci obłoku. Obie formy pyłu, a zwłaszcza pył w warstwie, odłożony 1 Prof. dr hab. inż. A. Lisowski, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych 2 Inż. M. Kostrubiec, magistrantka, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych 3 M. Dąbrowska-Salwin, doktorantka, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych 4 Dr inż. A. Świętochowski, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Maszyn Rolniczych i Leśnych 5 Artykuł recenzowany Logistyka 5/

2 na obudowach rozgrzanych łożysk jest bardzo niebezpieczny, gdyż może dojść do samozapłonu przy temperaturze 220 o C [1], znacznie mniejszej niż dla warstwy pyłu z węgla (300 o C). Aby pelety nie rozkruszały się łatwo podczas dostawy powinny cechować się dużą trwałością mechaniczną i wytrzymałością na obciążenia zewnętrzne podczas ściskania, zginania i cięcia. Celem pracy było wyznaczenie charakterystycznych parametrów paliwa stałego oraz trwałości i wytrzymałości peletów wyprodukowanych z siana, słomy i ich mieszanek bez i z dodatkiem węglanu wapnia. Materiał i metody Do badań użyto pelety wyprodukowane z pociętej biomasy siana, słomy pszenicy i ich mieszanek w stosunku masowym 1:1, o wilgotności (wyznaczonej metodą suszarkowo-wagową), odpowiednio 9,44 ±0,09%, 10,58 ±0,10% i 10,96 ±0,10% a wartość średniej geometrycznej wymiarów cząstek wynosiła odpowiednio 3,45, 3,21 i 2,14 mm. Z biomasy o większej wilgotności wyprodukowano pelety z dodatkiem węglanu wapnia (10% udziału wagowego). Wilgotność materiału siana, słomy i ich mieszanek wynosiła odpowiednio 15,45 ±0,12%, 16,52 ±0,17% i 17,05 ±0,19%, a wymiary cząstek wynosiły odpowiednio 3,12, 2,72 i 2,02 mm. Pelety o średnicy nominalnej 6 mm wyprodukowano na linii technologicznej w porównywalnych warunkach, a do badań pobrano próbki losowo w tym samym czasie co rozdrobnioną biomasę. Badania trwałości mechanicznej peletów przeprowadzono zgodnie z wymaganiami normy PN- EN :2010 i wyznaczono współczynnik trwałości mechanicznej DU. Badania wykonano dla 5 prób każdego rodzaju peletu. Charakterystyki wytrzymałościowe peletów podczas ściskania, zginania i cięcia uzyskano z prób na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej typu TIRAtest przy prędkości deformacji 10 mm/min. Pomiary siły rejestrowano z dokładnością 1 N ze skokiem 0,01 mm. Pelety były ściskane na całej długości i zginane dwupodporowo, a do ich cięcia zastosowano nóż o kącie ostrza 30 o. Wykonano po 15 prób dla każdego rodzaju peletu. Na podstawie charakterystyk siła-przesunięcie dla każdego rodzaju obciążenia wyznaczono naprężenia maksymalne, moduł sprężystości wzdłużnej (jako sieczny) i energię jednostkową deformacji, przez numeryczne całkowanie powierzchni pod krzywą i odniesioną do pola powierzchni deformacji peletu. Szczegółowa metodyka badań i zależności są podane w pracy Lisowskiego i in. [10]. Wyniki badań i ich dyskusja Po aglomeracji ciśnieniowej biomasy bez dodatku węglanu wapnia wilgotność materiału w pelecie zmniejszyła się nieznacznie (o 2,57%) i dla siana, słomy i ich mieszanek wynosiła odpowiednio 6,72 ±0,07, 8,13 ±0,08 i 8,43 ±0,09%, a z dodatkiem węglanu wapnia wilgotność zmniejszyła się o 6,44% i wynosiła odpowiednio 9,16 ±0,07, 10,04 ±0,08 i 10,50 ±0,09%. Węglan wapnia w sposób znaczący zmniejszył wilgotność materiału w wyprodukowanych peletach. Różnica w wilgotności materiału oraz jego podatność na zmianę pod wpływem dodatku węglanu wapnia może mieć wpływ na efekt zagęszczania biomasy i w konsekwencji na trwałość mechaniczną i wytrzymałość peletów. Na podstawie analizy statystycznej stwierdzono, że rodzaj biomasy oraz dodatek miały wpływ na zróżnicowanie wartości większości wskaźników (przy krytycznym poziomie istotności p nie mniejszym niż 0,02). Wszystkie interakcje okazały się również statystycznie istotne. Rodzaj biomasy nie wpływał na zróżnicowanie wartości energii jednostkowej ściskania (p = 0,2506) i maksymalnych naprężeń zginających (p = 0,1456), a dodatek węglanu wapnia na charakterystyczne wskaźniki wytrzymałościowe zginania (dla maksymalnych naprężeń zginających p = 0,2967, dla modułu sprężystości przy zginaniu p = 0,6080, dla energii jednostkowej zginania p = 0,2035). Szczegółowa analiza testem Duncana wartości średnich ocenianych wskaźników (tab. 1) oraz graficzna prezentacja wyników badań (rys. 1) pozwala na wnioskowanie, że dodatek węglanu wapnia miał na ogół pozytywny wpływ na trwałość mechaniczną peletów, zwłaszcza w odniesieniu do siana i słomy. Trwałość mechaniczna peletów zwiększyła się odpowiednio o 1,18% p.p. (punktów procentowych) i 1,45% p.p. Ta pozytywna tendencja nie dotyczy peletów wytworzonych z mieszanki i jednoznaczne stwierdzenie wpływu węglanu wapnia na trwałość mechaniczną aglomeratów wymaga rozszerzenia badań i zwiększenia liczby 352 Logistyka 5/2015

3 prób. To pozwoli zmniejszyć rozrzut wyników badań, zwłaszcza, że produkcja peletów w warunkach rzeczywistych obarczona jest wieloma czynnikami zmiennymi, do których należy stan infrastruktury technicznej i parametry procesu oraz parametry powietrza: ciśnienie, temperatura, a zwłaszcza jego wilgotność. Mogą one przyczyniać się do odmiennego wpływu na materiał organiczny i trwałość peletów. Dodatek węglanu wapnia spowodował zwiększenie maksymalnych naprężeń tnących peletów wyprodukowanych z siana, z wartości 0,79 MPa do 1,63 MPa, a dla mieszanki oraz słomy wartości te uległy zmniejszeniu, odpowiednio z 2,18 MPa i 2,16 MPa do odpowiednio 1,37 MPa i 1,41 MPa. Dodanie węglanu wapnia podczas produkcji peletów z badaną biomasą spowodowało zwiększenie wartości modułu sprężystości przy cięciu próbek. Dodatek węglanu wapnia znacznie zmniejszył energię jednostkową cięcia peletów wyprodukowanych z mieszanki oraz słomy, odpowiednio z wartości 2,81 mj/mm do 1,94 mj/mm oraz z 2,59 mj/mm do 1,36 mj/mm, a dla peletów z siana zmniejszenie tego parametru było nieznaczne (z 1,45 mj/mm do 1,35 mj/mm. Mniejsze wartości wytrzymałościowe przy cięciu peletów wytworzonych z dodatkiem węglanu wapnia wskazują na łatwiejsze rozdzielanie produktów pod naciskiem ostrza noża. Podczas ściskania peletów wytworzonych z dodatkiem węglanu wapnia uzyskano na ogół większe wartości parametrów wytrzymałościowych (maksymalne naprężenia, moduł sprężystości, energia jednostkowa). Moduł sprężystości przy ściskaniu peletów wyprodukowanych z mieszanki z dodatkiem węglanu wapnia miał nieznacznie mniejszą wartość niż bez tego dodatku. Charakterystyka tych parametrów przy obciążeniu ściskającym wskazuje na pozytywny wpływ zastosowania węglanu wapnia na wytrzymałość peletów, co przekłada się na mniejsze ryzyko rozkruszania peletów w łańcuchu logistycznym. Tabela 1. Wartości średnie wskaźnika trwałości mechanicznej DU oraz wskaźników wytrzymałościowych (naprężenie maksymalne τt, σc, σg, moduł sprężystości Et, Ec, Eg, energia jednostkowa Ejt, Ejc, Ejg) peletów podczas ich cięcia, ściskania i zginania wraz z wynikami analizy statystycznej testem Duncana. Źródło DU, Cięcie Ściskanie Zginanie Biomasa % τt, MPa Et, MPa Ejt, mj/mm σc, MPa Ec, MPa Ejc, mj/mm σg, MPa Eg, MPa Ejg, mj/mm 96,05 a 1,28 a 6,55 a 1,40 a 3,29 a 17,32 a 5,90 a 0,48 a 145,99 a 0,10 a 98,03 c 1,78 c 9,40 c 2,34 c 4,21 c 24,60 b 6,23 a 0,55 a 172,37 b 0,15 b 96,57 b 1,74 b 7,79 b 1,95 b 3,74 b 24,58 b 5,93 a 0,50 a 169,02 b 0,11 a Dodatek, % 0 96,97 a 1,83 b 6,56 a 2,40 b 2,75 b 19,04 a 3,70 a 0,56 a 179,96 b 0,12 a 10 96,86 a 1,46 a 9,46 b 1,61 a 4,76 a 25,46 b 8,38 b 0,48 a 152,27 a 0,12 a Wartości średnie w tej samej kolumnie oznaczone jednakowymi literami oznaczają brak statystycznie istotnych różnic, przy α = 0,05. Źródło: opracowanie własne. Logistyka 5/

4 Moduł sprężystości, MPa Wskaźnik trwałości mechanicznej DU, % Naprężenia, MPa 100,00 99,00 98,00 97,00 96,00 95,00 94,00 93,00 95,46 97,37 98,01 96,64 98,82 0% 10% 95,13 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 0,79 2,18 2,16 1,63 1,411,37 1,25 3,50 3,38 5,24 4,90 4,14 0,79 0,57 0,410,42 0,53 0,36 0% 10% 0% 10% 0% 10% cięcie ściskanie zginanie ,3 25,7 8,4 24,8 10,3 24,4 5,7 10,2 23,3 4,4 7,4 5,9 0% 10% 0% 10% 0% 10% cięcie ściskanie zginanie Energia jednostkowa, mj m -2 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 2,81 3,02 2,59 1,94 1,45 1,36 1,35 4,59 3,51 8,71 7,16 9,29 0,18 0,08 0,13 0,13 0,08 0,12 0% 10% 0% 10% 0% 10% cięcie ściskanie zginanie Rys. 1. Współczynnik trwałości peletów DU, naprężenia maksymalne, moduł sprężystości i energia jednostkowa deformacji podczas cięcia, ściskania i zginania peletów wytworzonych z siana, słomy i ich mieszanki bez (0%) i z 10% dodatkiem węglanu wapnia. Źródło: opracowanie własne. Stwierdzono duże zróżnicowanie wpływu węglanu wapnia na parametry wytrzymałościowe przy zginaniu peletów. Dodanie węglanu wapnia do siana pozwoliło na zwiększenie, a do mieszanki na zmniejszenie wartości maksymalnych naprężeń zginających, modułu sprężystości przy zginaniu i jednostkowej energii zginania. Dodanie węglanu wapnia do słomy przyczyniło się do zwiększenia maksymalnych naprężeń zginających i energii jednostkowej zginania peletów oraz do zmniejszenia wartości modułu sprężystości przy zginaniu. Dokładniejsze wyjaśnienie wpływu węglanu wapnia do biomasy podczas jej aglomeracji wymaga przeprowadzenia badań w porównywalnych warunkach. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań można sformułować następujące wnioski. 1. Dodanie węglanu wapnia do siana i słomy pozwoliło na wyprodukowanie peletów o znacznie większej trwałości mechanicznej. 2. Pelety wytworzone z węglanem wapnia były bardziej odporne na ściskanie, gdyż do ich zniszczenia należało wygenerować o 73% większe naprężenia (4,76 MPa vs. 2,75 MPa), a energia jednostkowa deformacji przy tym obciążeniu była większa aż o 126% (8,38 mj/mm vs. 3,70 mj/mm). 3. Dodanie węglanu wapnia do biomasy siana, słomy i ich mieszanek miało zróżnicowany wpływ na wskaźniki wytrzymałościowe podczas cięcia i zginania peletów. Streszczenie Zaprezentowano wyniki badań peletów wyprodukowanych z siana, słomy i ich mieszanki bez i z 10% dodatkiem węglanu wapnia. Badania wykonano wg standardowych norm. Stwierdzono, że dodanie węglanu wapnia pozwala na ogół na zwiększenie trwałości peletów i jednoznaczne zwiększenie odporności na ściskanie, gdyż maksymalne naprężenia przy pękaniu aglomeratów wynosiły 7,76 MPa, w kontraście 2,75 MPa bez dodatku, a energia jednostkowa ściskania była większa aż o 126%, co może mieć pozytywne 354 Logistyka 5/2015

5 konsekwencje na logistykę dostaw. Wskaźniki wytrzymałościowe dla peletów wytworzonych bez i z dodatkiem węglanu wapnia podczas ich cięcia i zginania nie miały wyraźnej tendencji zmian. PROPERTIES OF PELLETS FROM PLANT BIOMASS OF THE LOGISTIC SUPPLY Abstract The results of the researched pellets manufactured from hay, straw and mix with and without the addition of 10% of calcium carbonate were presented. The study was performed according to standards. It was found that the addition of calcium carbonate can generally increase the durability of pellets and clearly increase in resistance to compression, because the maximum stress at failure of the agglomerates were 7.76 MPa vs MPa to the no additive and the specific compression energy was greater by up to 126%, which may have positive consequences on the logistics of deliveries. Strength indicators for the pellets produced with and without the addition of calcium carbonate during cutting and bending did not have any clear tendency. Bibliografia [1] Golec T., Lewtak R., Świątkowski B., Glot B., Współspalanie biomasy z węglem, Czysta Energia, Nr 9/2010. [2] Hejft R., Ciśnieniowa aglomeracja materiałów roślinnych, Politechnika Białostocka, Wyd. i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji w Radomiu, [3] Jakubiak M., Kordylewski W., Pelety podstawowym biopaliwem dla energetyki, Archiwum Spalania, Vol. 8(3-4)/2008. [4] Kaliyan N., Morey V.R., Factors affecting strength and durability of densified biomass products, Biomass and Bioenergy, Vol. 33/2009. [5] Kornacki A., Maj G., Wybrane właściwości peletów wytworzonych z trawy pozyskanej z trawnika przydomowego, Inżynieria Rolnicza, Nr 1(126)/2011. [6] Kulig R., Skonecki S., Kowalczyk-Juśko A., Łysiak G., Kwiecień Ł., Proces zagęszczania wysłodków buraczanych w aspekcie logistyki dostaw, Logistyka, Nr 6/2014. [7] Kulig R., Skonecki S., Łysiak G., The effect of binder addition on the parameters of compacted POP- LAR wood sawdust, Teka Commission of Motorization in Agriculture, Vol. 12/2012. [8] Laskowski J., Skonecki S., Badania procesów aglomerowania surowców paszowych aspekt metodycznym, Inżynieria Rolnicza, Nr 2(22)/2001. [9] Li Y., Wu D., Zhang J., Chang L., Wu D., Fang Z., Shi Y., Measurement and statistics of single pellet mechanical strength of differently shaped catalysts, Powder Technology, Vol. 113/2000. [10]Lisowski A. (red.), Chlebowski J., Klonowski J., Nowakowski T., Strużyk A., Sypuła M., Technologie zbioru roślin energetycznych, Wyd. SGGW, [11]Mani S., Tabil L.G., Sokhansanj S., A overview of compaction of biomass grinds, Powder Handling and Processing, Vol. 15/2003. [12]Mani S., Tabil L.G., Sokhansanj S., Effects of compressive force, particle size and moisture content on mechanical properties of biomass pellets from Grass, Biomass and Bioenergy, Vol. 30(7)/2006. [13]Pecyna M., Stoma M., Maj G., Piekarski W., Logistic supply systems of raw materials and products of biomass in the production of renewable energy, Logistyka, Nr 6/2014. [14]Peleg M., Mannheim C.H., Effect of conditioners on the flow properties of powdered sucrose, Powder Technology, Vol. 7/1973. Logistyka 5/

6 [15]Relova I., Vignote S., León M.A., Ambrosio Y., Optimisation of the manufacturing variables of sawdust pellets from the bark of Pinus caribaea Morelet: Particle size, moisture content and pressure, Biomass and Bioenergy, Vol. 33/2009. [16]Sahoo S., Seydibeyoğlu M.Ö., Mohanty A.K., Misra M., Characterization of industrial lignins for their utilization in future value added applications, Biomass and Bioenergy, Vol. 135/2011. [17]Samson R., Mani S., Boddey R., Sokhansanj S., Quesada D., Urquiaga S., Reis V., Lem C.H., Carpio C., The potential of C4 perennial grasses for developing a global bio-heat industry, Critical Reviews in Plant Sciences, Vol. 24(5 6)/2005. [18]Skonecki S., Kulig R., Łysiak G., Laskowski J., Różyło R., The effect of material moisture content and chamber diameter on compaction parameters of meadow Grass, Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, Vol. 58(2)/2013. [19]Skonecki S., Kulig R., Wpływ wilgotności biomasy roślinnej i nacisku tłoka na parametry brykietowania i wytrzymałość aglomeratu, Autobusy, Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, Nr 10/2011. [20]Tumuluru J.S., Wright C.T., Hess J.R., Kenney K.L., A review of biomass densification systems to develop uniform feedstock commodities for bioenergy application, Biofuels, Bioproducts and Biorefining, Vol. 5(6)/2011 [21]Van Dam J.E.G., Van den Oever M.J.A., Teunissen W., Keijsers E.R.P., Peralta A.G., Process from production of high density/high performance binderless boards from whole coconut husk. Part 1: lignin as intrinsic thermosetting binder resin, Industrial Crops and Products, Vol. 19/2004. [22]Xu H., Zhou S., Jin X., Liu Y., Monte Carlo simulation of the induction time and particle size distribution in the nucleation of calcium carbonate, Powder Technology, 253/ Logistyka 5/2015