Proces zagęszczania wysłodków buraczanych w aspekcie logistyki dostaw

Ryszard Kulig 1, Stanisław Skonecki 2, Alina Kowalczyk-Juśko 3, Grzegorz Łysiak 4, Łukasz Kwiecień 5 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Proces zagęszczania wysłodków buraczanych w aspekcie logistyki dostaw Wstęp W związku z obserwowanym w ostatnich latach spadkiem pogłowia zwierząt hodowlanych, alternatywnym kierunkiem wykorzystania wysłodków buraczanych może być przeznaczenie ich na cele energetyczne. W tym przypadku zagospodarowanie wysłodków polega na ich suszeniu, a następnie granulowaniu lub brykietowaniu. Taka postać jest najwygodniejsza w kontekście logistyki dostaw [1, 3, 8]. Stosowanie aglomerowania wysłodków pozwala na znaczną redukcję ich objętości. Wzrost gęstości produktu ułatwia jego składowanie i transport oraz zmniejsza wymaganą wielkość kubatur magazynowych. Z kolei wszystkie te czynniki przyczyniają się do zmniejszenia kosztów magazynowania i obrotu handlowego. W trakcie produkcji wysłodków aglomerowanych można dodawać do nich melasę w ilości od 5 do 15%. W efekcie z jednej strony zwiększa się wartość energetyczna produktu, z drugiej zaś dodatek melasy sprzyja powstawaniu trwałych aglomeratów o wysokiej wytrzymałości mechanicznej. Melasowanie wysłodków stosowane jest głównie przez cukrownie produkujące granulat paszowy. Natomiast w przypadku wytwarzania aglomeratu energetycznego - gdy dochodzi do trudności natury technologicznej - melasa może być zastępowana dodatkiem lepiszczy ligninowych [2, 4, 11, 14, 17]. Wynikiem ich stosowania jest poprawa lepkości surowca oraz zmniejszenie wrażliwości materiału na warunki prowadzenia procesu aglomerowania. W przypadku produkcji biopaliw stałych (zgodnie z obowiązującą w tym zakresie normą) dodatek ten nie powinien być większy niż 2%. Substancja ta ulega całkowitemu spaleniu, nie zwiększa ilości popiołu oraz jest całkowicie obojętna dla środowiska naturalnego. W procesie wytwarzania kompaktowanych biopaliw stałych podstawową rolę pełni wartość stosowanego ciśnienia zagęszczania (jednostkowego nacisku tłoka) [9, 10, 12]. Stosowanie nieodpowiedniej wielkości tego parametru może z jednej strony prowadzić do bezużytecznej konsumpcji energii, z drugiej zaś powodować otrzymywanie aglomeratu o nieodpowiednich właściwościach wytrzymałościowych. We wcześniejszych pracach przedstawiono wyniki badań wpływu tego parametru na efektywność zagęszczania ciśnieniowego biomasy różnego pochodzenia [5, 15, 16]. Niniejsza praca stanowi kontynuację badań prowadzonych w tym zakresie. Stąd też za cel pracy przyjęto określenie wpływu jednostkowego nacisku tłoka na parametry procesu zagęszczania wysłodków buraczanych z dodatkiem substancji lepiszczowych. Materiały i metody Do badań przyjęto wysłodki buraczane, pochodzące z cukrowni Krasnystaw. Zagęszczanie wykonano dla surowca o wilgotności 12%, do którego dodawano lepiszcze w postaci lignosulfonianu wapnia (1%) oraz melasy (5%). Próbę kontrolną stanowił surowiec bez dodatku lepiszcza. Tak przygotowane materiały badawcze dla potrezb dalszej analizy oznaczono jako: materiał kontrolny (wysłodki bez dodatku lepiszcza) - Zl=0%; wysłodki z dodatkiem lignosulfonianu wapnia - Zl=1%; wysłodki z dodatkiem melasy - Zl=5%. 1 Dr inż. R. Kulig, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Eksploatacji Maszyn Przemysłu Spożywczego 2 Dr hab. S. Skonecki, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Eksploatacji Maszyn Przemysłu Spożywczego. 3 Dr inż. A. Kowalczyk-Juśko, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Nauk Rolniczych, Katedra Produkcji Roślinnej i Agrobiznesu 4 Dr hab. G. Łysiak, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Eksploatacji Maszyn Przemysłu Spożywczego 5 Inż. Ł. Kwiecień, magistrant, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Eksploatacji Maszyn Przemysłu Spożywczego Logistyka 6/2014 176

Badania ciśnieniowego zagęszczania wykonano zgodnie z metodyką przedstawioną przez Laskowskiego i Skoneckiego [6]. W badaniach zagęszczania wykorzystano maszynę wytrzymałościową ZWICK typ Z020/TN25 z komputerową rejestracją parametrów procesu ściskania oraz zespół prasujący z matrycą zamkniętą. Średnica komory zagęszczania wynosiła 15 mm, temperatura cylindra (materiału zagęszczanego) 20 C, prędkość przemieszczania tłoka 10 mm min -1. Zagęszczanie prowadzono dla pięciu wartości maksymalnej siły zagęszczania tj. 8, 11, 14, 17 i 20 kn, co odpowiadało następującym wartościom ciśnienia zagęszczania: 45, 62, 79, 96 i 113 MPa. Zagęszczanie wykonano każdorazowo w trzech powtórzeniach. W trakcie badania rejestrowano krzywą tzw. charakterystykę zagęszczania (zależność siły zagęszczania od przemieszczenia tłoka), z której określono parametry procesu. Wyznaczono maksymalną gęstość materiału w komorze ρc (g/cm 3 ) oraz jednostkową pracę zagęszczania Lc : Lc = m L c (1) gdzie: Lc - praca zagęszczania (J), m - masa próbki materiału (g). Rys. 1. Charakterystyka zagęszczania: a1 zagęszczanie właściwe, a2-ściskanie, a3 prasowanie. Źródło: [6]. Obliczono współczynnik podatności materiału na zagęszczanie kc: k c ' Lc (2) ( ) c n gdzie: ρn gęstość początkowa materiału w komorze zagęszczania (g/cm 3 ), Lc jednostkowa praca zagęszczania (J/g). Dla otrzymanego brykietu określono gęstość aglomeratu po 48 h. przechowywania ρa (g/cm 3 ). Obliczono stopień zagęszczenia materiału w komorze Szm i uzyskanego aglomeratu Sza (krotność zmniejszenia objętości), obliczane jako: Szm = c n (3) 177 Logistyka 6/2014

Sza= a n (4) Następnie określano jakość aglomeratu ze względu na wytrzymałość mechaniczną. Wyznaczono tzw. odporność mechaniczną aglomeratu w teście ściskania brazylijskim. W badaniach wykorzystano maszynę wytrzymałościową ZWICK Z020/TN2S. Odporność mechaniczną δm (MPa) obliczono ze wzoru [7, 13]: gdzie: d średnica aglomeratu (mm), l długość aglomeratu (mm), Fn siła niszcząca aglomerat (N). 2F n m π dl (5) Analizę zależności pomiędzy ciśnieniem zagęszczania a parametrami procesu aglomerowania (dla różnych zawartości lepiszcza w surowcu) wykonano przy wykorzystaniu procedur statystycznych zawartych w programie STATISICA, przyjmując za każdym razem poziom istotności αi = 0,01. Przy wyborze postaci równań stosowano metodę regresji krokowej wstecznej. Istotność współczynników równania regresji badano testem t-studenta. Natomiast adekwatność modelu sprawdzano stosując test Fishera. Wyniki badań Równania regresji, opisujące zależności badanych parametrów procesu od ciśnienia zagęszczania zestawiono w tabeli 1. Analiza regresji wykazała, że otrzymane zależności mogą być opisane równaniami liniowymi lub równaniami logarytmicznymi. Zależności te przedstawiono na rysunkach 2-5. Tabela. 1. Równania regresji opisujące zależność gęstości ρc, ρa, pracy Lc współczynnika kc, stopnia zagęszczenia Szm, Sza, i odporności mechanicznej δm od ciśnienia zagęszczania P dla różnych zawartości lepiszcza w wysłodkach buraczanych oraz wartości współczynnika determinacji R 2. Cecha Gęstość materiału w komorze, ρ c Gęstość aglomeratu po 48 godz., ρ a Praca zagęszczania, L c Współczynnik podatności materiału na zagęszczanie, k c Stopień zagęszczenia materiału, S zm Stopień zagęszczenia aglomeratu, S za Odporność mechaniczna aglomeratu, δ m Zawartość lepiszcza Równanie regresji R 2 ρ c = 0,0034P + 1,539 ρ c = 0,0037P + 1,407 ρ c = 0,0038P + 1,349 ρ a= 0,335 ln P - 0,445 ρ a= 0,344 ln P - 0,279 ρ a= 0,368 ln P - 0,429 L c = 0,119P + 1,819 L c = 0,197P + 2,306 L c = 0,205P + 7,068 k c = 0,835P + 1,721 k c = 0,071P + 4,443 k c = 0,133P + 1,751 S zm = 0,012P + 5,494 S zm = 0,017P + 5,612 S zm = 0,013P + 5,697 S za = 0,945 ln P + 0,675 S za = 0,928 ln P + 1,502 S za = 0,987 ln P + 1,231 δ m = 0,612 ln P 1,336 δ m = 0,540 ln P + 0,269 δ m = 0,463 ln P + 0,472 0,981 0,897 0,954 0,995 0.951 0,954 0,971 0,966 0,998 0,982 0,995 0,973 0,994 0,987 0,952 0,889 0,936 0,948 0,983 0,953 0,939 Logistyka 6/2014 178

Analiza regresji (αi=0,01) wykazała, że otrzymane zależności mogą być opisane równaniami liniowymi lub równaniami logarytmicznymi. Zależności te przedstawiono na rysunkach 2-5. Wyniki badań zobrazowane na rys. 2 wskazują, że zwiększenie ciśnienia zagęszczania od 45 do 113 MPa skutkowało wzrostem gęstości materiału w komorze ρc. Sytuacja taka zachodziła w przypadku wszystkich badanych materiałów. Zakres zmienności analizowanego parametru wynosił od 1,51 do 1,83 g/cm 3. Warto również zauważyć, że wraz ze wzrostem ciśnienia zagęszczania, różnice w wartościach stopnia zagęszczenia wynikające z oddziaływania rodzaju surowca zacierały się. 1,8 Gęstość, (g/cm 3 ) 1,6 1,4 1,2 c, z l =0% c, z l =1% c, z l =5% a, z l =0% a, z l =1% a, z l =5% 1,0 0,8 45 62 79 96 113 Ciśnienie zagęszczania, P (MPa) Rys. 2. Zależność między gęstością materiału w komorze zagęszczania (ρc) i gęstością aglomeratu (ρa) a ciśnieniem zagęszczania (P) dla różnych zawartości lepiszcza w materiale (zl). Natomiast w przypadku gęstości aglomeratu, zakres zmienności a wahał się w przedziale od. 0,83 do 1,29 g/cm 3. Największy wzrost wartości następował w przedziale ciśnienia 45 96 MPa. Z kolei dalsze zwiększanie wartości jednostkowego nacisku tłoka praktycznie nie przyczyniało się do wzrostu gęstości aglomeratów otrzymywanych z wysłodków z dodatkiem lepiszczy. W tym przypadku w odniesieniu do ciśnień 96 i 113 MPa otrzymane różnice w wartościach parametru a, były statystycznie nieistotne. Zmiany stopnia zagęszczania materiału w komorze i aglomeratu po przechowywaniu zobrazowano na rysunku 3. 8 Stopień zagęszczenia, S zm, S za 7 6 5 4 3 45 62 79 96 113 Ciśnienie zagęszczania, P (MPa) S zm, z l =0% S zm, z l =1% S zm, z l =5% S za, z l =0% S za, z l =1% S za, z l =5% Rys.3. Zależność między stopniem zagęszczenia materiału w komorze (Szm) i stopniem zagęszczenia aglomeratu (Sza) a ciśnieniem zagęszczania (P) dla różnych zawartości lepiszcza w materiale (zl). 179 Logistyka 6/2014

W przypadku wszystkich badanych surowców największe wartości parametru stwierdzono dla ciśnienia 113 MPa. Maksymalna gęstość materiału w komorze ρc, była przeciętnie 7,2 razy większa od gęstości początkowej materiału ρn, niezależnie od zawartości lepiszcza w materiale. Największym stopniem zagęszczenia aglomeratu Sza charakteryzowały się materiały zawierające lepiszcza, zagęszczane zarówno przy ciśnieniu 96 jak i 113 MPa. W tym przypadku gęstość aglomeratu była około 5 razy większa od gęstości początkowej materiału. Należy również podkreślić, że w odniesieniu do wysłodków zawierających lepiszcza (1% lignosulfonianu wapnia lub 5% melasy) różnice w wartościach analizowanego parametru okazały się nieistotne statystycznie (p>0,01). Zależności pomiędzy jednostkową pracą zagęszczania Lc i współczynnikiem materiału na zagęszczanie kc a ciśnieniem zagęszczania P przedstawiono na rys. 4. W całym zakresie badawczym wartość analizowanych parametrów rosła wraz ze zwiększaniem ciśnienia zagęszczania. Prawidłowość taka zaistniała w odniesieniu do wszystkich badanych materiałów. Najwyższe wartości analizowanych parametrów odnotowano za każdym razem dla maksymalnego ciśnienia zagęszczania (113 MPa). Wartość jednostkowej pracy zagęszczania zawierała się w przedziale od od 7,61 do 30,34 J/g. Największe wartości parametru Lc uzyskano dla wysłodków zawierających 5% melasy, a najmniejsze dla wysłodków bez dodatku lepiszcza. Tak więc stosowanie dodatku lepiszcza do wysłodków wpływało prawdopodobnie na wzrost współczynnika tarcia, co skutkowało wzrostem wartości pracy zagęszczania jak też zmniejszeniem podatności materiału na zagęszczanie (rys. 4). Uzyskane wartości współczynnika kc zawierały się w przedziale od 5,53 do 17,2. Przy czym dla ciśnienia 45 MPa nie odnotowano statystycznie istotnych różnic w wartościach kc, wynikających z rodzaju zagęszczanego materiału (p>0,01). Jednak w miarę dalszego wzrostu ciśnienia, najwyższą podatnością na zagęszczanie charakteryzowały się za każdym razem wysłodki bez udziału lepiszcza. 32 Wartość 28 24 20 16 L c ', z l =0% L c ', z l =1% L c ', z l =5% k c, z l =0% k c, z l =1% k c, z l =5% 12 8 4 45 62 79 96 113 Ciśnienie zagęszczania, P (MPa) Rys. 4. Zależność między jednostkową pracą zagęszczania (Lc ) i współczynnikiem podatności materiału na zagęszczanie (kc) a ciśnieniem zagęszczania (P) dla różnych zawartości lepiszcza w materiale (zl). Wyniki badań odporności mechanicznej (rys. 5) wykazały, że wytrzymałość aglomeratu otrzymanego z wysłodków surowych rosła w całym analizowanym przedziale zmienności ciśnienia. Natomiast w przypadku wysłodków zawierających lepiszcza wzrost ten dotyczył jedynie przedziału ciśnienia z zakresu 45-79 MPa. Dalsze zwiększanie ciśnienia nie przyczyniało się istotnie do wzrostu wartości parametru δm. Wartość odporności mechanicznej zawierała się w przedziale od 1,02 do 2,83 MPa. Największe wartości uzyskiwały aglomeraty otrzymane podczas zagęszczania materiału z 1% dodatkiem lignosulfonianu wapnia. Nieznacznie niższe wartości σn odnotowano dla aglomeratu otrzymanego z wysłodków z dodatkiem 5% melasy. Należy także zaznaczyć, że wraz ze wzrostem ciśnienia, różnice w wartościach σn (wynikające z oddziaływania rodzaju badanego surowca) pozostawały na stałym poziomie. Logistyka 6/2014 180

Odporność mechaniczna, m (MPa) 3,0 2,8 2,6 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 Logistyka - nauka 45 62 79 96 113 Ciśnienie zagęszczania, P (MPa) m, z l =0% m, z l =1% m, z l =5% Rys. 5. Zależność między odpornością mechaniczną aglomeratu (δm) a ciśnieniem zagęszczania (P) dla różnych zawartości lepiszcza w materiale (zl). Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, iż gęstość materiału w komorze zagęszczania - zarówno dla materiału bez dodatku lepiszcza, jak też z jego udziałem - rośnie wraz ze zwiększaniem ciśnienia średnio o 11%. Wzrost ciśnienia zagęszczania w przedziale 45-96 MPa powoduje również zwiększenie gęstości aglomeratu przeciętnie o 24%. W przypadku parametru a istotne staje się także oddziaływanie dodatku lepiszcza, średni wzrost wartości gęstości aglomeratu (wynikający z tego tytułu) wynosi 20%. Gęstość aglomeratu otrzymywanego z wysłodków zawierających substancje lepiszczowe jest przeciętnie 5,5 razy większa od gęstości początkowej materiału ρn. Natomiast w przypadku materiału kontrolnego wartość parametru Sza wynosi średnio 4,5. Jednostkowa praca zagęszczania oraz współczynnik materiału na zagęszczanie zwiększają się wraz ze wzrostem ciśnienia zagęszczania. Średnie zmiany w pierwszym przypadku wynoszą 120%, a w drugim 95%. Jednocześnie wykazano, iż wzrost dodatku lepiszcza wpływa na zmniejszenie podatności materiału na zagęszczanie, zwiększając jednostkową pracę zagęszczania średnio o 75%. Wykazano, iż wraz ze zwiększaniem ciśnienia zagęszczania materiału w badanym przedziale rośnie odporność mechaniczna aglomeratów (przeciętnie o 19%). Natomiast dodatek lepiszczy do wysłodków zwiększa wartość δm przeciętnie o 98%. Należy stwierdzić, że w przypadku gęstości i odporności mechanicznej aglomeratu, stosowanie lepiszcza pod postacią 5% dodatku melasy daje efekty porównywalne ze stosowaniem 1% dodatku lignosulfonianu wapnia. Natomiast w odniesieniu do jednostkowej pracy zagęszczania lepsze rezultaty uzyskano dla wysłodków z dodatkiem lignosulfonianu wapnia. Streszczenie Przedstawiono wyniki badań wpływu ciśnienia (od 45 do 113 MPa) na parametry procesu zagęszczania wysłodków buraczanych. Badaniom poddano wysłodki surowe oraz zawierające dodatek lepiszcza w postaci melasy (5%) i lignosulfonianu wapnia (1%). Wykazano, iż najniższa energochłonność zagęszczania odnosiła się do zagęszczania wysłodków bez dodatku lepiszcza (wartość średnia - 11,45 J/g ). Najwyższa zaś dotyczyła wysłodków z 5% dodatkiem melasy (30,88 J/g). Stwierdzono, że najwyższą odpornością 181 Logistyka 6/2014

mechaniczna (2,82 MPa) charakteryzował się aglomerat wytworzony z wysłodków z dodatkiem 1% lignosulfonianu wapnia, zagęszczanych przy ciśnieniu 113 MPa. THE COMPACTION PROCESS OF SUGAR BEET PULP IN TERMS OF THE LOGISTICS SUPPLY Abstract This paper presents the results of analyses investigating the effect of specific piston pressure (45 to 113 MPa) and the addition of the binder as molasses (5%) and calcium lignosulphonate (1%) on the compaction parameters of sugar beet pulp. The lowest energy outcomes were noted during compaction of sugar beet pulp without content of binder (average 11,45 J/g) and the highest during compaction of sugar beet pulp with addition of the molasses at about 30,88 J/g. The agglomerated sugar beet pulp with addition of the calcium lignosulphonate, with compaction pressure of 113 MPa, was shown to have the highest value of mechanical strength of about 2,82 MPa. Bibliografia [1] Hejft R., Ciśnieniowa aglomeracja materiałów roślinnych, Politechnika Białostocka, Wyd. i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji w Radomiu, 2002. [2] Kaliyan N., Morey V.R.: Factors affecting strength and durability of densified biomass products, Biomass and Bioenergy, Vol. 33/2009. [3] Kelly P.: Sugar beet pulp A review, Animal Feed Science and Technology, Vol. 8/1983. [4] Kulig R., Skonecki S., Łysiak G.: The effect of binder addition on the parameters of compacted POPLAR wood sawdust, Teka Commission of Motorization and Energetics in Agriculture, Vol. 12/2012. [5] Kulig R., Skonecki S., Łysiak G., Laskowski J., Rudy S., Krzykowski A., Nadulski R.: The effect of pressure on the compaction parameters of oakwood sawdust enhanced with a binder, Teka Commission of Motorization and Energetics in Agriculture, Vol. 13/2013. [6] Laskowski J., Skonecki S.: Badania procesów aglomerowania surowców paszowych aspekt metodyczny, Inżynieria Rolnicza, Nr 2(22)/2001. [7] 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. [8] MacMahon M.J., Payne J.D. The Pelleting Handbook, Borregaard Lignotech, Sarpsborg Norway, 1991. [9] Mani S., Tabil L., G., Sokhansanj S.: An overview of compaction of biomass grinds, Powder Handling and Processing, Vol.15/2003. [10] Mani S., Tabil L.G., Sokhansanj S.: Effects of compressive force, particle size and moisture content on mechanical properties of biomass pellets from grasses, Biomass and Bioenergy, Vol. 30(7)/2006. [11] Restolho J.A., Prates A., de Pinho M.N., M.D.: Sugars and lignosulphonates recovery from eucalyptus spent sulphite liquor by membrane processes, Biomass and Bioenergy, Vol. 133/2009. [12] 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 and pressure, Biomass and Bioenergy, Vol.33/2009. [13] Ruiz G., Ortiz M., Pandolfi A.: Three-dimensional finite-element simulation of the dynamic Brazilian tests on concrete cylinders, Int. J. Numer. Meth. Engng., Vol. 48/2000. Logistyka 6/2014 182

[14] Sahoo S., Seydibeyo_M.O., Mohanty A.K., M. Misra M.: Characterization of industrial lignins for their utilization in future value added applications, Biomass and Bioenergy, Vol. 135/2011. [15] 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. [16] 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. [17] Van Dam J. E. G., Van den Oever M. J. A., Teunissen W., Keijsers E. R. P., Peralta A. G.: Process for 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. 183 Logistyka 6/2014