Wpływ stopnia rozdrobnienia pędów wierzby oraz ciśnienia aglomeracji na trwałość brykietów

Transkrypt

1 FRĄCZEK Jarosław 1 CIEŚLIKOWSKI Bogusław 1 FRANCIK Sławomir 1 ŚLIPEK Zbigniew 1 Wpływ stopnia rozdrobnienia pędów wierzby oraz ciśnienia aglomeracji na trwałość brykietów WSTĘP Nowoczesna energetyka oparta jest w coraz większym stopniu o odnawialne źródła energii. Jest to wymuszane zarówno względami ekonomicznymi (wzrost cen surowców kopalnych i kurczące się ich zapasy), jak i dążeniem do zwiększenia ochrony środowiska naturalnego. Według raportu REN21 [10] w 2011 roku w 30 krajach na świecie, ponad 20% (a w niektórych przypadkach nawet do 50%) całkowitej ilości energii (energia elektryczna, ogrzewanie/chłodzenie i transport) zostało wytworzonych z OZE. Szczególnie szybko rozwija się rynek biopaliw stałych. W świetle prognozy Ministerstwa Gospodarki [6], w najbliższych latach mają być one w Polsce dominujące w produkcji ciepła i energii elektrycznej z OZE. Źródłem tego typu biomasy są głównie tereny leśne i rolnicze [2]. Ze względu na ochronę zasobów leśnych coraz większą uwagę przywiązuje się do rozwoju tych ostatnich. Koniecznością staje się więc zwiększenie areału tzw. upraw energetycznych. W warunkach Polskich do najbardziej popularnych roślin energetycznych należy wierzba Salix viminalis L. Rys.1. Prognoza struktury produkcji energii i ciepła z OZE w a) ciepło, b) energia elektryczna (opracowano na podstawie [6]) Dużym utrudnieniem w popularyzacji wykorzystania biopaliw stałych jest ich niska gęstość usypowa w stanie nieprzetworzonym, co jest przyczyną powstawania licznych trudności Publikacja została sfinansowana z dotacji na naukę przyznawanej przez MNiSW w ramach tematu nr DS3600/WIPiE/ Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie, Wydział Inżynierii Produkcji i Energetyki, ul. Balicka 120, Kraków, Tel

2 logistycznych [5]. Jak się szacuje, transport rozdrobnionej biomasy jest opłacalny jedynie na odległość do 60 km. [4]. Niezbędna staje się zatem aglomeracja odpowiednio przygotowanego surowca do postaci brykietów lub peletów. Obniża to zdecydowanie koszty transportu i magazynowania oraz zapewnia możliwość wprowadzenia pełnej automatyzacji procesu spalania [1]. Tak więc w przypadku biopaliw stałych ekonomicznie uzasadnione jest ich stosowanie jedynie w postaci brykietów lub peletów. Oprócz składu chemicznego, na zdolność do zagęszczania tego typu surowców wpływa wiele czynników fizycznych, tj. wilgotność, skład granulometryczny, współczynnik tarcia wewnętrznego, temperatura, sypkość itp. [11]. Dla zapewnienia wysokiej jakości brykietów drzewnych konieczne jest uzyskanie wilgotności mniejszej od 12% oraz wartości opałowej powyżej 16 MJ/kg. W celu wzmocnienia rynku biopaliw i usprawnienia handlu w coraz większym stopniu wprowadzane są normy ich jakości [3]. Ocena przeprowadzana jest w dwóch obszarach: właściwości fizyczne oraz skład i charakterystyka chemiczna. Do podstawowych właściwości fizycznych, które w największym stopniu decydują o jakości biopaliw, ich przydatności handlowej, należy zaliczyć wilgotność oraz trwałość. Mogą być one odpowiednio kształtowane w trakcie procesu technologicznego. W prezentowanych badaniach podjęto próbę oceny wpływu stopnia rozdrobnienia pędów wierzby energetycznej oraz ciśnienia zagęszczania na trwałość wyprodukowanych brykietów. Badania przeprowadzono w laboratorium Katedry Inżynierii Mechanicznej i Agrofizyki UR w Krakowie, na materiale pochodzącym z plantacji Wydziału Inżynierii Produkcji i Energetyki UR. 1 METODYKA BADAŃ Pędy wierzby Salix viminalis L. o wilgotności 12% rozdrabniano na rębarce oraz w młynie bijakowym KING c.120, stosując sita o otworach Ø 4 mm, Ø 10 mm, Ø 15 mm. Uzyskano w ten sposób trzy różne poziomy rozdrobnienia. Skład granulometryczny określono poprzez analizę sitową przeprowadzoną na przesiewaczu laboratoryjnym LPzE-4e wg normy PN-EN :2011. Uzyskane wyniki posłużyły do obliczenia wskaźników jednolitości rozdrobnienia. Rozdrobniony materiał został sprasowany w brykieciarce POR-ECOMEC Junior przy pięciu poziomach ciśnienia: 40, 60, 80, 100 i 125 MPa. Trwałość brykietów DU (mechanical durability) jest miarą odporności na wstrząsy i ścieranie towarzyszące procesom transportu i magazynowania brykietów. Decyduje również o okresie, w którym brykiety zachowują swoje właściwości użytkowe (kruszenie się w czasie przeładunku, przewożenia, składowania). Pomiary przeprowadzono zgodnie z normą PN-EN :2010. Próbkę o masie 2kg (± 0,1 kg) umieszczano w komorze testera (bęben zaopatrzony w nieruchomą przegrodę powodującą przesypywanie się brykietu) (rys.2) i uruchamiano napęd. Przez 5 min. utrzymywano prędkość obrotową na poziomie 21obr/min. Po zakończeniu próby materiał przesiewano przez sito o średnicy otworów 35mm i w ten sposób oddzielano drobne frakcje (powstałe podczas próby) od materiału pełnowartościowego. Brykiety, które pozostały na sicie były ważone z dokładnością do 0,1g. Trwałość brykietu DU obliczano ze wzoru: ma DU 100 (1) me DU - trwałość brykietu [%], m E masa próbki przed testem [g], m A masa próbki po teście [g]. 3637

3 a) b) Rys. 2. Tester trwałości brykietu. a) Widok urządzenia (źródło: [3]), b) Wymiary geometryczne (źródło: [9]); 1 - bęben, 2 przegroda, 3 układ napędowy 2 WYNIKI BADAŃ Analiza składu granulometrycznego rozdrobnionych pędów wierzby wykazała istnienie rozkładu dwumianowego (rys.3). Uzyskano dwa obszary pod krzywymi: I dla sit z przedziału 0,25 1,6mm II dla sit z przedziału 2 8 mm Rys.3. Skład granulometryczny rozdrobnionych pędów wierzby Dla jednoznacznego porównania uzyskanych przebiegów wprowadzono wskaźnik jednolitości rozdrobnienia materiału W. Został on zdefiniowany jako: WII W (2) WI W II - wskaźnik jednolitości rozdrobnienia frakcji w II obszarze wykresu: 3638

4 d iii p n iii W II (3) II d iii średnica i-tego sita przesiewacza laboratoryjnego w II obszarze wykresu [mm] p iii liczebność próbki na i-tym sicie z II obszaru [%] n II liczba sit w II obszarze wykresu W I - wskaźnik jednolitości rozdrobnienia frakcji w I obszarze wykresu d ii pii W I (4) ni d ii średnica i-tego sita przesiewacza laboratoryjnego w I obszarze wykresu [mm] p ii liczebność próbki na i-tym sicie z I obszaru [%] n I liczba sit w I obszarze wykresu W przypadku uzyskania W = 1 układ jest symetryczny. Należy jednak dążyć do uzyskania jak najmniejszej wartości W. Następuje bowiem wówczas dobre rozdrobnienie materiału rozkład zbliża się do jednomianowego. W analizowanym przypadku średnie wskaźniki W wynosiły odpowiednio: dla Ø 4 mm - 4,4; Ø 10 mm - 23,3; Ø 15mm 58,4. Świadczy to o tym, że najbardziej równomierne rozdrobnienie uzyskano dla sita o najmniejszych oczkach. Zależność trwałości brykietów od ciśnienia brykietowania przedstawiono na rys.4. Uwzględniając, że wartość ciśnienia jest miarą nakładów energetycznych, należy uznać, że bardziej opłacalne jest dobre rozdrobnienie materiału (sito Ø 4 mm) trwałość 90% uzyskiwana jest już przy ciśnieniu ok. 55 MPa, podczas gdy dla największego sita (Ø 15mm) zachodzi to dopiero przy ok.78 MPa. Rys.4. Trwałość brykietów wierzbowych w zależności od ciśnienia aglomeracji W celu określenia zależności pomiędzy ciśnieniem brykietowania i wskaźnikiem jednolitości rozdrobnienia W, a trwałością brykietów wierzbowych przeprowadzono estymację nieliniową metodą najmniejszych kwadratów na poziomie ufności 0,95. Najlepsze dopasowanie krzywej uzyskano dla funkcji: DU a p b W c (5) DU trwałość brykietów [%] 3639

5 p ciśnienie aglomeracji [MPa] W wskaźnik rozdrobnienia biomasy a, b, c - stałe modelu W tabeli 1 zamieszczono wyniki przeprowadzonego testu. Tab.1. Wyniki estymacji nieliniowej (R 2 = 0,88) Ocena Błąd standardowy Poziom p Dolna granica ufności a 53,30 3,40 0,00 45,89 60,72 b 0,13 0,01 0,00 0,10 0,16 c -0,02 0,01 0,01-0,03 0,00 Górna granica ufności Obliczenia statystyczne wykazały istotność wpływu zarówno ciśnienia brykietowania jak i wskaźnika jednolitości rozdrobnienia frakcji W na trwałość uzyskiwanego brykietu. Stosunkowo największy wpływ na DU ma ciśnienie z jakim brykietowane są rozdrobnione pędy wierzby. Na rysunku 5 przedstawiono wykres powierzchniowy obrazujący opracowany model. Oznaczono na nim graniczne wartości ciśnienia i wskaźnika jednolitości rozdrobnienia frakcji W, przy których brykiet uzyskuje najwyższą trwałość. Najwyższą trwałość DU>96% uzyskuje się przy ciśnieniu brykietowania przekraczającym 80 MPa i wskaźniku W<20. Rys.5 Zależność trwałości brykietów od ciśnienia brykietowania i wskaźnika jednolitości rozdrobnienia frakcji WNIOSKI Przeprowadzone badania pozwoliły na sformułowanie następujących wniosków: Wraz ze wzrostem stopnia rozdrobnienia pędów wierzby Salix viminalis L. wzrasta trwałość brykietów. Wzrost ciśnienia brykietowania pozwala na zwiększenie stanu upakowania cząstek, co sprzyja wzrostowi sił adhezji i poprawia trwałość brykietów. Zależność trwałości brykietu od stopnia rozdrobnienia biomasy i wartości ciśnienia aglomeracji można opisać funkcją potęgową. Najwyższą trwałość DU>96% uzyskuje się przy ciśnieniu brykietowania przekraczającym 80 MPa i wskaźniku W<

6 Streszczenie Do podstawowych właściwości fizycznych, które w stosunkowo największym stopniu decydują o jakości biopaliw, ich przydatności handlowej, należy zaliczyć wilgotność oraz trwałość. Mogą one być odpowiednio kształtowane w trakcie procesu technologicznego. W prezentowanych badaniach podjęto próbę oceny wpływu stopnia rozdrobnienia pędów wierzby energetycznej oraz ciśnienia brykietowania na trwałość wyprodukowanych brykietów drzewnych. Przeprowadzone badania pozwoliły na stwierdzenie, że wraz ze wzrostem stopnia rozdrobnienia pędów wierzby Salix viminalis L. wzrasta trwałość brykietów. Podobnie skutkuje podniesienie ciśnienia aglomeracji. Zależność trwałości brykietu od stopnia rozdrobnienia biomasy i wartości ciśnienia aglomeracji można opisać funkcją potęgową. Najwyższą trwałość (DU>96%) uzyskuje się przy ciśnieniu brykietowania przekraczającym 80 MPa i wskaźniku W<20. The influence of the willow`s sprouts fragmentation scale and agglomeration pressure on the mechanical durability of briquettes Abstract To the basic physical properties, which determine the quality of biofuels and their merchantability in a relatively highest degree, we should include the humidity and the mechanical durability. They may be adequately modified during the technological process. In the presented studies we attempted to evaluate the influence of the willow`s sprouts grinding and the briquetting pressure on the produced wood briquette`s durability. The conducted studies allowed to state that with size reduction of the willow Salix viminalis L. sprouts, rises the mechanical durability of briquettes. The effect is similar in case of agglomeration pressure gain. The dependence of the briquette`s mechanical durability from the biomass grinding level W and the value of agglomeration pressure, can be described by a power function. The highest durability (DU>96%) can be obtained at the briquetting pressure exceeded 80 MPa and the index W<20. BIBLIOGRAFIA 1. Adamczyk F., Frąckowiak P., Mielec K., Kośmicki Z.: Trwałość brykietów ze słomy przeznaczonej na opał, uzyskiwanych metodą zwijania, Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, 61(1), 2006, s Dreszer K., Michałek R., Roszkowski A., Energia odnawialna możliwości jej pozyskiwania i wykorzystania w rolnictwie. Wyd. PTIR Kraków Lublin Warszawa. 3. Frączek i in., Ekonomiczo-organizacyjne aspekty produkcji biopaliw, PTIR, Kraków, Frączek i in., Produkcja biomasy na cele energetyczne, PTIR, Kraków, Frączek i in., Produkcja biopaliw problemy wybrane, PTIR, Kraków, Krajowy Plan Działania w Zakresie Energii ze Źródeł Odnawialnych, Ministerstwo Gospodarki, Warszawa, PN-EN : PN-EN : PN-EN : Renewables Global Futures Report, REN21, ISEP, Zawiślak K.: Wpływ kształtu powierzchni rolek wytłaczających na trwałość granulatu. Inżynieria Rolnicza, 7(82),