WYKORZYSTANIE BRYKIETOWANIA DO ZAGOSPODAROWANIA ODPADÓW 1

2

Gabriel Borowski WYKORZYSTANIE BRYKIETOWANIA DO ZAGOSPODAROWANIA ODPADÓW MONOGRAFIA Lublin 2011 3

Wydanie publikacji dofinansowa³ Minister Nauki i Szkolnictwa Wy szego Recenzenci: prof. dr hab. in. Wies³aw Weroñski dr hab in. Zdzis³aw Ma³ecki Opracowanie edytorskie: Marta Radwan-Röhrenschef Copyright by Lubelskie Towarzystwo Naukowe, 2011 ISBN 978-83-62025-17-6 Wydanie I WYDAWCA Lubelskie Towarzystwo Naukowe 20-080 Lublin, Plac Litewski 2 4

SPIS TREŒCI 1. WPROWADZENIE...9 2. CHARAKTERYSTYKA MATERIA ÓW STOSOWANYCH DO BRYKIETOWANIA... 11 2.1. Produkty i odpady... 11 2.2. Rodzaje i Ÿród³a odpadów drobnoziarnistych... 13 2.3. Struktura materia³ów drobnoziarnistych... 16 2.4. Postêpowanie z drobnoziarnistymi zawiesinami... 17 2.5. Wybrane w³aœciwoœci fizyczno-mechaniczne materia³ów sypkich... 19 3. URZ DZENIA PRODUKCYJNE I LINIE TECHNOLOGICZNE DO BRYKIETOWANIA... 23 3.1. Maszyny do brykietowania... 23 3.1.1. Rodzaje i zastosowanie... 23 3.1.2. Brykieciarka t³okowa (mimoœrodowa)...23 3.1.3. Brykieciarka œlimakowa...24 3.1.4. Brykieciarki stemplowe... 25 3.1.5. Brykieciarki walcowe...27 3.2. Przyk³adowe koncepcje przemys³owych linii technologicznych... 33 3.2.1. Brykietowanie surowców energetycznych...33 3.2.2. Brykietowanie popio³ów paleniskowych...34 3.2.3. Brykietowanie py³ów ze spalania osadów œciekowych...35 4. KOMPUTEROWE MODELOWANIE PROCESU BRYKIETOWANIA. 37 4.1. Zastosowanie metody elementów skoñczonych... 37 4.2. Model matematyczny scalania materia³ów drobnoziarnistych w prasach stemplowych... 38 4.3. Modele scalania materia³ów sypkich w prasach walcowych... 39 4.4. Modelowanie metod¹ elementów skoñczonych... 42 4.4.1. Modele procesu scalania materia³ów drobnoziarnistych...42 4.4.2. Symulacja naprê eñ wewnêtrznych w matrycy otwartej...44 4.4.3. Symulacja rozk³adu stopnia zagêszczenia materia³u w matrycy zamkniêtej... 47 5

5. PROBLEMATYKA WYTWARZANIA BRYKIETÓW... 53 5.1. Metody scalania materia³ów drobnoziarnistych... 53 5.1.1. Problematyka scalania...53 5.1.2. Zestalanie...53 5.1.3. Kompaktowanie...54 5.1.4. Granulowanie...55 5.1.5. Brykietowanie...57 5.2. Przygotowanie materia³ów do brykietowania... 59 5.2.1. Rola i zakres przygotowania materia³u...59 5.2.2. Sk³ad ziarnowy...59 5.2.3. Zanieczyszczenia...60 5.2.4. Dosuszanie i mieszanie materia³ów...61 5.2.5. Lepiszcza...64 5.3. Parametry pracy brykieciarki... 65 5.4. Kszta³t i wymiary matryc formuj¹cych... 68 6. BADANIA W AŒCIWOŒCI BRYKIETÓW... 71 6.1. Okreœlenie sk³adu chemicznego... 71 6.2. W³aœciwoœci fizyczne brykietów... 72 6.2.1. Zakres okreœlanych w³aœciwoœci...72 6.2.2. Masa i wymiary gabarytowe...72 6.2.3. Stopieñ zagêszczenia...73 6.2.4. Wilgotnoœæ...74 6.2.5. Struktura brykietu...74 6.2.6. Wodoodpornoœæ i mrozoodpornoœæ...78 6.2.7. Wymywalnoœæ jonów z brykietów...79 6.3. W³aœciwoœci mechaniczne brykietów... 80 6.4. Kryteria wykorzystania brykietów w przemyœle... 82 7. WYBRANE ANALIZY BADAWCZE GOSPODARCZEGO WYKORZYSTANIA BRYKIETÓW... 85 7.1. Zakres prac badawczych... 85 7.2. Wykorzystanie brykietów jako zamiennika kruszywa na podbudowy drogowe... 85 7.2.1. Mo liwoœci wykorzystania brykietów...85 7.2.2. W³aœciwoœci popio³ów...87 7.2.3. Metodyka badañ wytrzyma³oœciowych...90 7.2.4. Analiza wyników badañ...91 6

7.3. Wykorzystanie brykietów jako Ÿród³a energii cieplnej... 92 7.3.1. Zagospodarowanie odpadów energetycznych...92 7.3.2. Charakterystyka materia³u badawczego...93 7.3.3. Problematyka wykorzystania biomasy z wêglem...95 7.3.4. Metodyka badañ...96 7.3.5. Analiza wyników badañ...97 7.4. Wykorzystanie brykietów zawieraj¹cych substancje niebezpieczne dla œrodowiska... 100 7.4.1. Termiczna utylizacja osadów œciekowych... 100 7.4.2. Materia³ badawczy... 101 7.4.3. Metodyka wytwarzania... 103 7.4.4. Wyniki badañ... 104 8. WNIOSKI... 106 BIBLIOGRAFIA... 107 S OWNIK TERMINÓW...117 WYKAZ WA NIEJSZYCH OZNACZEÑ... 127 WYKAZ ILUSTRACJI... 129 WYKAZ TABEL... 131 STESZCZENIE... 132 SUMMARY... 133 ZA CZNIKI... 135 7

8

1. WPROWADZENIE W wielu sferach dzia³alnoœci przemys³owej wystêpuje problem efektywnego zagospodarowania materia³ów drobnoziarnistych, takich jak: zawiesiny, szlamy, proszki, py³y, popio³y i u le. Materia³y te s¹ czêsto odpadami w procesach produkcyjnych. Niektóre z nich s¹ utylizowane w sposób bezpoœredni, stanowi¹c surowce wtórne, inne zaœ wymagaj¹ przeprowadzenia dodatkowych zabiegów technologicznych nadaj¹cych im wartoœæ u ytkow¹. Substancje okreœlane jako odpady podlegaj¹ œcis³ym uregulowaniom prawnym, których celem jest ochrona zdrowia ludzkiego i œrodowiska. W Dyrektywie Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/98/WE (dyrektywa ramowa w sprawie odpadów) z dnia 19 listopada 2008 r. zamieszczono nastêpuj¹c¹ definicjê odpadów: odpady oznaczaj¹ ka d¹ substancjê lub przedmiot, których posiadacz pozbywa siê, zamierza siê pozbyæ lub do których pozbycia zosta³ zobowi¹zany. Organy administracyjne oraz producenci czêsto staj¹ przed problemem w rozró nieniu, co jest, a co nie jest odpadem. O konsumpcyjnym przeznaczeniu produktów i materia³ów rozstrzyga fakt podjêcia ich celowej produkcji. Materia³ mo na uznaæ za odpad dopiero wtedy, gdy nie by³ celem produkcji, nie nadaje siê do wykorzystania lub nie istniej¹ technologie konieczne do jego wykorzystania, oraz nie ma na dany materia³ zapotrzebowania. Je eli zaistnieje mo liwoœæ sprzeda y danego materia³u z zyskiem przez producenta, mo e to wskazywaæ, e materia³ ten zostanie wykorzystany, a wiêc przestanie byæ odpadem. Odzysk surowców z odpadów to podstawowy warunek ochrony zasobów naturalnych. G³ównym celem odzysku jest ponowne u ycie surowców do produkcji. W celu wykorzystania materia³u odpadowego uzdatnia siê go w ró ny sposób, przez mycie, suszenie, rafinowanie, homogenizowanie, neutralizacjê, termiczn¹ transformacjê itp. Odpady zawieraj¹ce substancje niebezpieczne nale y natomiast poddaæ procesom unieszkodliwiania. Najwiêksz¹ w kraju grup¹ odpadów zawieraj¹c¹ frakcje drobnoziarniste s¹ popio³y i u le energetyczne z procesów spalania w elektrowniach i elektrociep³owniach oraz frakcje wêglowe z procesów wydobywania, wzbogacania i wykorzystania wêgla kamiennego i brunatnego. Do drobnoziarnistych frakcji wêglowych nale ¹: mu³y wêglowe, odpady poflotacyjne, œciery, py³y koksownicze, koksik z procesów zgazowania i wysoko zawêglone sta³e produkty spalania paliw. Odpady pokopalnianie nie s¹ wykorzystywane w nale ytym stopniu. Du a iloœæ i rozdrobnienie frakcji wêglowych uzasadniaj¹ potrzebê zmiany dotychczasowych zastosowañ i zwiêkszenia ich zagospodarowania jako paliwa podstawowego i uzupe³niaj¹cego dla okreœlonych obiektów energetycznych, w tym do produkcji wysokojakoœciowych paliw alternatywnych, tzw. biopaliw. 9

U ytkowanie odpadów drobnoziarnistych w formie nieprzetworzonej jest nieefektywne ze wzglêdu na transport i sk³adowanie, a tak e niejednorodnoœæ w³aœciwoœci fizykochemicznych. Przetworzenie i nadanie im okreœlonych w³aœciwoœci umo liwia zwiêkszenie u ytecznych walorów odpadów. W tym celu wykorzystywane s¹ miêdzy innymi procesy ujednorodnienia oraz scalania materia³u odpadowego do postaci kawa³kowej. Czêsto podejmowanym w kraju sposobem scalania jest brykietowanie. Brykiety z odpadów s¹ wykorzystywane w wielu dziedzinach gospodarki, m.in.: l w energetyce, jako paliwo do spalana w kot³ach grzewczych; l w budownictwie, jako dodatek na podbudowy drogowe; l w metalurgii, jako dodatek do wsadu w piecach stalowniczych; l w górnictwie, jako wype³niacz wyrobisk kopalnianych. Celem niniejszej monografii jest przedstawienie efektywnych sposobów wykorzystania drobnoziarnistych odpadów produkcyjnych, w tym niebezpiecznych dla œrodowiska. Przyjêto za³o enie, e istnieje mo liwoœæ skutecznej utylizacji tych odpadów po przetworzeniu metod¹ brykietowania. Zakres monografii obejmuje zagadnienia przygotowania brykietów stanowi¹cych produkty do wykorzystania w przemyœle lub gospodarstwie domowym. Omówiono metody i urz¹dzenia przetwórcze, przedstawiono sposoby przygotowania mieszanki do brykietowania, okreœlono parametry procesu, zarówno doœwiadczalnie, jak i z zastosowaniem metody elementów skoñczonych. Opisano procedury badawcze pilota owych partii brykietów, zapewniaj¹ce osi¹gniêcie odpowiedniej jakoœci oraz spe³nienie okreœlonych przez odbiorców wymogów. Przedstawiono tak e sposoby wykorzystania brykietów z odpadów oraz potencjalne efekty u ytkowe. Zaprezentowane w monografii zagadnienie wykorzystania brykietowania do zagospodarowania odpadów poszerza dotychczasow¹ wiedzê w zakresie in- ynierii wytwarzania wyrobów przemys³owych. Stanowi przyk³ad rozwi¹zania modelowego, które zainspiruje in ynierów i naukowców do dalszych poszukiwañ sposobów utylizacji wielu rodzajów odpadów z krajowych procesów technologicznych. 10

2. CHARAKTERYSTYKA MATERIA ÓW STOSOWANYCH DO BRYKIETOWANIA 2.1. Produkty i odpady Ró norodne procesy wytwórcze prowadz¹ do wytworzenia okreœlonych substancji i przedmiotów. Czêsto jednak trudno jednoznacznie okreœliæ, czy dana substancja jest produktem, czy odpadem. Pomocny w rozró nialnoœci substancji jest komunikat Komisji Rady i Parlamentu Europejskiego, dotycz¹cy klasyfikacji danego materia³u jako odpadu [Komunikat Komisji, Rady i Parlamentu Europejskiego... 2007]. Materia³y wytwarzane w procesach produkcji przemys³owej mog¹ byæ okreœlane mianem produktów (pó³produktów), jeœli by³y celem danego procesu produkcyjnego, i zwykle stanowi¹ one produkty koñcowe. W przeciwnym wypadku materia³y mo na uznaæ za pozosta³oœci procesu produkcyjnego. Pozosta³oœci procesu produkcyjnego niekoniecznie musz¹ byæ odpadami, poniewa mog¹ posiadaæ okreœlone cechy, decyduj¹ce o przydatnoœci do dalszego wykorzystania w gospodarce. Je eli materia³ faktycznie nie nadaje siê do wykorzystania, nie spe³nia kryteriów technicznych koniecznych do jego wykorzystania i nie istnieje rynek na ten materia³, mo na uznawaæ go za odpad. W niektórych przypadkach mo liwe jest wykorzystanie pewnej czêœci materia³u, jego pozosta³oœæ zaœ musi zostaæ unieszkodliwiona. Je eli nie mo na zagwarantowaæ okreœlonego wykorzystania czêœci danego materia³u, wtedy mo na go kwalifikowaæ jako odpad. Podobnie za odpad nale y uznaæ materia³ sk³adowany przez d³u szy okres przed jego potencjalnym wykorzystaniem. Czêsto w ramach dalszego wykorzystania materia³u nastêpuje jego przeróbka, w ramach której mo e byæ myty, suszony, rafinowany lub homogenizowany oraz uzupe³niany o pewne w³aœciwoœci lub inne materia³y. Materia³ przygotowany do dalszego wykorzystania, który jednak nie by³ celem procesu produkcyjnego, stanowi produkt uboczny. W niektórych przypadkach dalsze wykorzystanie materia³u jest zabronione lub materia³ podlega obowi¹zkowej procedurze usuniêcia, ze wzglêdu na bezpieczeñstwo i zdrowie cz³owieka [Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2008]. Oto przyk³ady materia³ów, które mo na zaklasyfikowaæ zarówno jako produkty, jak i jako odpady. 1. u el uboczny produkt wytapiania elaza w wielkim piecu. Proces produkcji elaza zaadaptowano tak, by zapewniæ wymagane w³aœciwoœci techniczne u la. Uzyskanie okreœlonego rodzaju u la zapewnia jego wykorzystanie 11

na ró ne sposoby, a popyt kszta³tuje siê na wysokim poziomie. u el mo na wykorzystaæ bezpoœrednio w koñcowym etapie procesu produkcyjnego, bez koniecznoœci dalszej jego obróbki. Materia³ ten mo na zatem uznaæ za produkt. Z drugiej strony, u el pochodz¹cy z procesów odsiarczania powstaje w wyniku koniecznoœci usuniêcia siarki przed przetworzeniem elaza w stal. Powsta³y w ten sposób u el cechuje du a zawartoœæ siarki i nie da siê go wykorzystaæ ani poddaæ recyklingowi w obiegu metalurgicznym, a wiêc zazwyczaj jest usuwany na sk³adowisko odpadów. 2. Gips z odsiarczania gazów spalinowych. W elektrowniach w instalacjach odsiarczania gazów spalinowych usuwa siê siarkê z gazów powstaj¹cych w procesie spalania, co zapobiega emisjom gazów zanieczyszczaj¹cych atmosferê. Otrzymany w wyniku tego procesu materia³ gips jest wykorzystywany w szczególnoœci w produkcji ok³adziny tynkowej, gdzie stosowany jest tak e gips naturalny. Materia³ ten nie wymaga dalszego przetwarzania przed ponownym wykorzystaniem, wiêc kwalifikuje siê go jako produkt. 3. Produkty spalania wêgla. Produkty te maj¹ ró ne zastosowanie bez koniecznoœci dalszego przetwarzania lub przy bardzo niewielkiej obróbce. Niektóre jednak s¹ regularnie sk³adowane jako odpady, na przyk³ad popio³y z ³upków naftowych. W niektórych sytuacjach mog¹ istnieæ mo liwoœci ich zastosowania i tym samym przestan¹ byæ odpadami. 4. Trociny, drobiny drewna i œcinki z drewna. Produkty te powstaj¹ podczas ciêcia w tartakach lub w przy produkcji mebli, palet czy opakowañ. Wykorzystywane s¹ one jako surowiec do produkcji p³yt drewnopochodnych, takich jak p³yty wiórowe, lub w produkcji papieru. Nie wymagaj¹ dalszego przetwarzania poza adaptacj¹ do odpowiednich rozmiarów w celu zintegrowania z produktem koñcowym. Materia³y te mog¹ byæ zatem uznane za produkty uboczne. 5. Pozosta³oœci skalne z procesów wydobycia wêgla i kamienia. S¹ to odpady powstaj¹ce podczas sk³adowania przed potencjalnym wykorzystaniem w przysz³oœci. Mog¹ jednak byæ wykorzystane do wype³nienia podziemnych korytarzy ze wzglêdów stabilizacyjnych, czego wymaga podstawowa dzia³alnoœæ kopalni. Nale y je wtedy uznaæ za produkty. Zbêdne materia³y z pierwotnego procesu produkcyjnego lub materia³y wymagaj¹ce tylko kosmetycznych zmian, które s¹ zasadniczo podobne do produktu pierwotnego, ale nadaj¹ce siê do bezpoœredniego ponownego wykorzystania, nie s¹ odpadami. Materia³y wymagaj¹ce operacji przetworzenia w celu zmiany ich w³aœciwoœci albo zawieraj¹ce substancje niebezpieczne wymagaj¹ce usuniêcia s¹ natomiast odpadami do momentu zakoñczenia procesu przetwórczego. Katalog odpadów wraz z list¹ odpadów niebezpiecznych przedstawiono w za³¹czniku 1, a sk³adniki odpadów, które kwalifikuj¹ je jako odpady niebezpieczne w za³¹czniku 2. 12

2.2. Rodzaje i Ÿród³a odpadów drobnoziarnistych Odpady drobnoziarniste powstaj¹ w wielu ga³êziach przemys³u w efekcie stosowania procesów produkcyjnych, m.in.: l w procesach wydobycia i wzbogacania rud oraz innych surowców mineralnych; l w rolnictwie, sadownictwie, hodowli, rybo³ówstwie, leœnictwie oraz w przetwórstwie ywnoœci; l w przetwórstwie drewna oraz podczas produkcji papieru, tektury, masy celulozowej, p³yt i mebli; l w przemyœle skórzanym i tekstylnym; l w produkcji, przygotowania, obrotu i stosowania zwi¹zków nieorganicznych; l podczas produkcji, przygotowania, obrotu i stosowania podstawowych produktów przemys³u syntezy organicznej; l podczas produkcji, przygotowania, obrotu i stosowania pow³ok ochronnych (farb, lakierów emalii ceramicznych) kitu, klejów, szczeliw i farb drukarskich; l w nieorganicznych procesach termicznych; l przy kszta³towaniu i powierzchniowej obróbce metali i tworzyw sztucznych; l podczas budowy, remontów i demonta u obiektów budowlanych oraz drogowych. Oko³o 75% powstaj¹cych w sektorach gospodarczych odpadów jest poddawana procesom odzysku lub unieszkodliwiania. Pozosta³e s¹ z regu³y sk³adowane na sk³adowiskach. W za³¹czniku 4 przedstawiono procesy odzysku, a w za³¹czniku 5 procesy unieszkodliwiania odpadów. Przyk³adowe rodzaje materia³ów odpadowych wystêpuj¹cych w postaci drobnoziarnistej to: l mu³y wêglowe, l odpady poflotacyjne, l py³y cynkowo-o³owiowe, l py³y i zgary miedzionoœne, l wióry br¹zów ³o yskowych, l poregeneracyjny tlenek elaza, l zendra, l mu³ki zgorzelinowe, l u le, l osady szlamów z oczyszczalni gazów wielkopiecowych, l osady szlamów konwertorowych, l osady szlamów poszlifierskich, l elazomangan, l elazokrzem, l tlenek cynku, 13

l l l l l l l l g¹bka kadmowa, zgary aluminiowe, fluorek wapnia, wapno palone, karbid, gips z procesu odsiarczania spalin, odpady z produkcji we³ny mineralnej, m¹czka dolomitowa. Zgromadzone na sk³adowiskach znaczne iloœci niektórych rodzajów odpadów stanowi¹ zagro enie dla œrodowiska naturalnego. Dotyczy to m.in. fosfogipsów, dla których brak obecnie innego sposobu unieszkodliwiania [Hycnar J. i in. 2005]. Podobnie trudnoœci sprawiaj¹ odpady z procesów flotacyjnych, prowadzone s¹ jednak intensywne prace badawcze w kierunku ich zagospodarowania [Plewa, Mys³ek 2001]. W³aœciwoœci odpadów, które powoduj¹, e odpady s¹ niebezpieczne przedstawiono w za³¹czniku 3. Poni ej wymieniono czêsto spotykane typy odpadów drobnoziarnistych, wraz ze Ÿród³em ich pochodzenia: 1. Py³y i szlamy z hutnictwa elaza i stali. Tego typu odpady powstaj¹ podczas przetopu surówki i produkcji stali. Rozró nia siê nastêpuj¹ce ich rodzaje: u el wielkopiecowy i konwertorowy, py³ wielkopiecowy i stalowniczy, szlam wielkopiecowy i stalowniczy, py³ z oczyszczania gazów odlotowych konwertorów tlenowych stalowni, py³ z odpylania namiarowni wielkich pieców, py³ z odpylania hali lejniczej, py³ spiekalniczy oraz szlam spiekalniczy [Plewa, Mys³ek 2001]. Szlamy elazonoœne powstaj¹ przede wszystkim w wyniku mokrego odpylania gazów i spalin w takich instalacjach, jak: odpylnie mieszalni namiaru i ci¹gi ch³odzenia gor¹cego spieku zwrotnego, oczyszczalnie gazu wielkopiecowego i oczyszczalnie gazu konwertorowego. Szlam wielkopiecowy jest najdrobniejsz¹ frakcj¹ materia³ów wsadowych, wychwycon¹ podczas mokrego oczyszczania gazu wielkopiecowego, osadzon¹ w osadnikach radialnych wielkich pieców. Szlam spiekalniczy powstaje wskutek odbioru na mokro py³ów z odpylania taœm spiekalniczych. Py³y elazonoœne s¹ zatrzymywane w odpylni i gromadzone w zbiorniku, a nastêpnie przewo one do namiarowni sk³adników pylastych. Py³ wielkopiecowy jest drobn¹ frakcj¹ materia³ów wsadowych, wychwycon¹ w odpylniku statycznym podczas procesu suchego oczyszczania gazu wielkopiecowego. 2. Drobnoziarniste frakcje wêglowe. Powstaj¹ w procesach wydobywania, wzbogacania i wykorzystania wêgla kamiennego i brunatnego. Do odpadów tych nale ¹: mu³y wêglowe, odpady poflotacyjne, œciery, py³y koksownicze, koksik z procesów zgazowania i w wysokim stopniu zawêglone sta³e produkty spalania paliw. W zale noœci od w³asnoœci energetycznych mu³y wêglowe, œciery, 14

py³ koksowniczy i koksik s¹ czêsto zagospodarowywane jako paliwa samodzielne oraz jako jeden ze sk³adników wytwarzanych mieszanek paliwowych. Drobnoziarniste frakcje mog¹ byæ wzbogacane metodami fizycznymi i fizykochemicznymi, co pozwala uzyskaæ wysokoenergetyczne koncentraty wêglowe [Hycnar i in. 2005]. 3. Odpady z przemys³u energetycznego. Do tego typu odpadów zalicza siê u le ze spalania wêgla kamiennego, u le ze spalania wêgla brunatnego, popio³y lotne z wêgla kamiennego, popio³y lotne z wêgla brunatnego, mieszanki popio³owo- u lowe z mokrego odprowadzania odpadów paleniskowych, mikrosfery z popio³ów lotnych, sta³e odpady z wapniowych metod odsiarczania spalin, w tym gips poreakcyjny, produkty odsiarczania metod¹ pó³such¹, produkty odsiarczania metod¹ such¹, mieszaniny popio³ów lotnych i odpadów sta³ych z wapniowych metod odsiarczania gazów odlotowych metodami suchymi i pó³suchymi odsiarczania spalin oraz spalania w z³o u fluidalnym. 4. Odpady z odlewnictwa elaza. Pochodz¹ z procesów termicznych w odlewniach elaza. Zalicza siê do nich odpady powstaj¹ce w czasie sporz¹dzania mas formierskich i rdzeniowych ze spoiwami organicznymi. W trakcie procesu zalewania formy ciek³ym metalem nastêpuje znaczna redukcja szkodliwych substancji i powstaj¹ odpady przepalone, w postaci tzw. zu ytych mas formierskich i rdzeniowych. 5. Odpady z hutnictwa cynku. Tworz¹ je zgary, py³y z oczyszczania gazów odlotowych, u le z pieców szybowych oraz u le z pieców obrotowych, a tak e szlamy z oczyszczania gazów odlotowych. 6. Odpady z odsiarczania spalin metodami wapniowymi. S¹ to odpady termiczne. Wyró niono nastêpuj¹ce rodzaje tych odpadów: l sta³e odpady z wapniowych metod odsiarczania gazów odlotowych, l produkty z wapniowych metod odsiarczania gazów odlotowych odprowadzane postaci szlamu, l mieszaniny popio³ów lotnych i odpadów sta³ych z wapniowych metod odsiarczania gazów odlotowych. 7. Odpady z przemys³u chemicznego. Miêdzy innymi s¹ to odpady z przeróbki ropy naftowej, oczyszczania gazu ziemnego oraz wysokotemperaturowej przeróbki wêgla. ród³ami tych odpadów s¹: zak³ady przetwórstwa ropy naftowej (rafinerie, petrochemie), kombinaty koksochemiczne, fabryki chemiczne (np. parafiny), kopalnie gazu ziemnego, zak³ady przeróbki gazu ziemnego, zak³ady zajmuj¹ce siê regeneracj¹ olejów, zak³ady produkuj¹ce grafit syntetyczny i elektrody wêglowe. Przemys³ chemiczny generuje tak e odpady z produkcji, przygotowania do obrotu i stosowania zwi¹zków nieorganicznych. ¹cznie na obszarze kraju powstaje ok. 3054 tys. Mg odpadów z przemys³u 15

chemii nieorganicznej, z czego ponad 1898 tys. Mg (62,1 %) przypada na fosfogipsy. 8. Odpady z przemys³u drzewnego i papierniczego. S¹ to odpady z przetwórstwa drewna oraz produkcji papieru, tektury, masy celulozowej, p³yt i mebli. Rocznie wytwarza siê ³¹cznie ok. 2 mln Mg odpadów z tej grupy. Coraz czêœciej wykorzystuje siê je do celów energetycznych, produkuj¹c paliwa alternatywne jako zamiennik tradycyjnych kopalnianych surowców energetycznych. Wiêkszoœæ wymienionych rodzajów odpadów drobnoziarnistych jest scalana do postaci kawa³kowej metod¹ brykietowania. W procesie tym bardzo istotne jest zarówno okreœlenie, jak i modyfikacja w³aœciwoœci poszczególnych sk³adników w celu uzyskania jednorodnej, ³atwo brykietuj¹cej siê mieszaniny [Drzyma³a 1993]. 2.3. Struktura materia³ów drobnoziarnistych Do materia³ów drobnoziarnistych zalicza siê surowce w postaci sypkiej lub zawiesiny, sk³adaj¹ce siê z ziaren, których wymiary wynosz¹ najczêœciej od 0,05 mm do 2,0 mm. Surowce te czêsto wystêpuj¹ z ró nymi zanieczyszczeniami, które powinno siê odseparowaæ. Ze wzglêdu na zale noœci wielkoœciowe ziaren mo na wyodrêbniæ struktury [Lutyñski 2005]: l równoziarniste je eli ziarna s¹ w przybli eniu jednakowej wielkoœci, l nierównoziarniste je eli ziarna ró ni¹ siê wielkoœci¹. l l l Ze wzglêdu na kszta³t ziaren rozró nia siê nastêpuj¹ce struktury ziarniste: o ostrych krawêdziach, o krawêdziach wyg³adzonych, mieszane. Materia³ drobnoziarnisty w postaci sypkiej posiada charakterystyczne w³aœciwoœci i cechy. Jedn¹ z najwa niejszych jest sk³ad granulometryczny, czyli iloœciowy rozk³ad ziaren materia³u pod wzglêdem ich wielkoœci. Wielkoœæ ziaren jest okreœlona wymiarami liniowymi: d³ugoœci¹, szerokoœci¹ i gruboœci¹, mierzonymi w dwóch wzajemnie prostopad³ych do siebie p³aszczyznach [Borowski 2009d]. Rozk³ad granulometryczny cz¹stek w mieszaninie ziarnistej wyznacza siê doœæ czêsto w celu zorientowania siê, z jakich frakcji i klas wymiarowych sk³ada siê mieszanina. Oznaczenie wykonuje siê za pomoc¹ klasyfikatora wielositowego, dobieraj¹c zestaw sit odpowiedni do zakresu wymiarowego cz¹stek. Stosuje siê zwykle od kilku do kilkunastu sit, zale nie od wymaganej dok³adnoœci analizy. Po przesianiu próbki mieszaniny wa y siê pozosta³oœæ na ka dym sicie i wyra a w procentach (w stosunku do wyjœciowej masy próbki). 16

Stopieñ rozdrobnienia cz¹stek jest czêsto nazywany modu³em rozdrabniania lub œrednim wymiarem cz¹stek (m). Wielkoœæ tê, po okreœleniu rozk³adu granulometrycznego materia³u, oblicza siê za pomoc¹ wzoru: gdzie: GL3L G3 G3 GQ3 PP (1.1) 0 Q d i œredni wymiar otworów dwóch s¹siednich sit, p i liczba cz¹stek zatrzymanych na danym sicie w procentach. Sposób wykonania analizy sitowej jest w Polsce okreœlony norm¹ PN-71/C-04501. 2.4. Postêpowanie z drobnoziarnistymi zawiesinami Materia³y drobnoziarniste wystêpuj¹ce w postaci ciek³ej okreœla siê jako zawiesiny, emulsje lub szlamy. Czêsto s¹ one zanieczyszczone g³ównie olejami, smarami, minera³ami oraz metalami i ich zwi¹zkami. Szlamy te zawieraj¹ znaczne iloœci wody, s¹ bardzo uci¹ liwe do zagospodarowania w naturalnej postaci i wymagaj¹ przetworzenia. Zwykle gromadzone s¹ w kontenerach, zbiornikach i na poletkach sk³adowych. Podczas takiego sk³adowania zachodzi proces stopniowego ubytku wilgoci. Jednak e w celu dalszego wykorzystania odpadów nale y ze szlamów usun¹æ wodê niemal ca³kowicie, stosuj¹c odpowiednie metody i procesy techniczne [Borowski, Kuczmaszewski 2005b]. Do przetwarzania szlamów drobnoziarnistych stosuje siê procesy fizyczne oraz chemiczne. Podstawowe procesy fizyczne to: filtracja, ultrafiltracja, flotacja, flokulacja, elektrokoagulacja, osmoza, ekstrakcja, mieszanie, zagêszczanie, sedymentacja, rozdrabnianie, odwirowanie, adsorpcja, desorpcja, stapianie, wymra anie, suszenie i destylacja. Najczêœciej stosowane procesy chemiczne to: wymiana jonowa, neutralizacja, utlenianie, hydroliza, str¹canie, przemiana katalityczna, elektroliza, absorpcja i cementacja [Borowski 2005]. Proces filtracji za pomoc¹ p³ytowej prasy filtracyjnej w sposób prosty i skuteczny umo liwia zmniejszenie uwodnienia szlamów o ok. 30 40%. Powszechnie stosowany jest do odwadniania osadów w oczyszczalniach œcieków, galwanizeriach, garbarniach oraz zak³adach przemys³u spo ywczego. Prasa filtracyjna, pokazana na rysunku 1, sk³ada siê z nastêpuj¹cych podzespo³ów: l zespó³ filtracyjny z p³ytami i tkaninami filtracyjnymi, l g³owice dociskowe z si³ownikiem, l zespó³ podaj¹cy filtrat z pomp¹ t³ocz¹c¹, l zespó³ odprowadzaj¹cy wodê, l zespó³ steruj¹cy prac¹ urz¹dzenia. 17

Rys. 1. P³ytowa prasa filtracyjna (fot. G. Borowski) P³yty filtracyjne po³¹czone ze sob¹ tworz¹ komory, w których zbiera siê osad. Pomiêdzy p³ytami zak³ada siê polipropylenowe tkaniny filtracyjne. Dobór tkaniny jest uzale niony od rodzaju i w³aœciwoœci filtrowanego osadu. Utrzymanie odpowiedniego ciœnienia w komorze filtracyjnej zale y od prêdkoœci obrotowej pompy, która jest regulowana za pomoc¹ zespo³u steruj¹cego. W razie zastosowania pompy ze œlimakowym zespo³em podaj¹cym nale y rozró - niæ dwie fazy jej pracy: l fazê ci¹g³ej pracy podczas nape³niania komór filtracyjnych osadem, l fazê pulsacyjnej (przerywanej) pracy podczas odfiltrowanie wody i okresowgo dope³niania komór osadem. Podczas odfiltrowania wody stosuje siê ciœnienia od 0,3 MPa do 1,5 MPa, przeciêtnie 0,5 0,6 MPa. W czasie okresowego dope³niania komór osadem cykle pulsacyjne w trakcie trwania tego procesu s¹ coraz krótsze. Na proces filtracji wp³ywaj¹ nastêpuj¹ce czynniki: l ciœnienie filtrowania, l czas filtrowania, l rodzaj tkaniny filtruj¹cej, l pocz¹tkowy stopieñ uwodnienia, l dodatek tzw. œrodków wspomagaj¹cych. Stosuj¹c zagêszczanie osadów w p³ytowej prasie filtracyjnej, mo liwe jest uzyskanie filtratów o koñcowym uwodnieniu 20 25%. Filtraty te nale y dosuszaæ dalej, zarówno w warunkach naturalnych na poletku sk³adowym, jak i termiczne w suszarkach elektrycznych. Po dosuszeniu i ujednorodnieniu stanowi¹ one materia³ drobnoziarnisty o konsystencji sypkiej [Borowski 2009d]. 18

2.5. Wybrane w³aœciwoœci fizyczno-mechaniczne materia³ów sypkich Wilgotnoœæ. Wilgotnoœci¹ w, wyra on¹ w procentach, nazywa siê stosunek masy wody zawartej w ciele M w do masy cia³a M: Z 0 0 Je eli uwzglêdnimy, e M = M s + M w, to: gdzie: M s masa ca³kowicie suchego cia³a. Z (1.2) 0 Z Z (1.3) 0 0 V Wilgotnoœæ wp³ywa w istotny sposób na pozosta³e cechy fizyczno-mechaniczne cia³ sypkich, a w szczególnoœci na wspó³czynnik tarcia zewnêtrznego i wewnêtrznego, wytrzyma³oœæ, w³aœciwoœci sprê yste itp. Miar¹ wilgotnoœci, czyli nawilgocenia cia³a sta³ego, jest iloœæ zawartej w nim wody. Z punktu widzenia ruchu wody w wilgotnym materiale sypkim istotne znaczenie ma sposób wi¹zania wody przez cia³o sta³e. Rozró nia siê nastêpuj¹ce sposoby wi¹zania wody: l wi¹zanie chemiczne, l wi¹zanie fizykochemiczne, l wi¹zanie mechaniczne. Woda zwi¹zana chemicznie wchodzi w sk³ad zwi¹zku chemicznego, z którego zbudowany jest dany materia³. Woda ta nie uchodzi z cia³a przy podgrzaniu powy ej punktu wrzenia. Cia³o zawieraj¹ce tylko wodê zwi¹zan¹ chemicznie nazywa siê suchym. Wi¹zanie fizykochemiczne wody z cia³em sta³ym mo e byæ wi¹zaniem adsorbcyjnym, osmotycznym lub strukturalnym. W wyniku fizykochemicznego wi¹zania wody cia³o sta³e zmienia swoje w³aœciwoœci. Wodê tê mo na usun¹æ z cia³a w procesie suszenia, przy czym mo e temu towarzyszyæ zmiana dotychczasowej struktury i w³aœciwoœci cia³a. Woda zwi¹zana mechanicznie mo e tworzyæ cienk¹ warstwê na powierzchni cz¹stek lub wype³niaæ wolne przestrzenie miêdzy cz¹stkami. Cia³a zawieraj¹ce wodê zwi¹zan¹ mechanicznie nazywa siê wilgotnymi. W wyniku naturalnego lub sztucznego suszenia mo na odparowaæ wodê zwi¹zan¹ mechanicznie. Zawartoœæ wody U. Mianem tym okreœla siê stosunek masy wody M w zawartej w ciele do masy ca³kowicie suchego cia³a M s, wyra ony w kilogramach wody na kilogram suchej masy: 0 NJ Z ZRG\ 8 (1.4) 0 NJ V Z VP 19

Gêstoœæ w stanie zsypnym. Okreœlenie gêstoœæ w stanie zsypnym (masa usypowa) r s materia³u sypkiego nale y rozumieæ jako masê jednostkowej objêtoœci tego materia³u (1 m 3 ) w stanie swobodnie usypanym. Masê usypow¹ wyra a siê najczêœciej w kg/m 3. Do wyznaczania masy usypowej stosuje siê przyrz¹d zwany gêstoœciomierzem. Sk³ada siê on z naczynia pomiarowego z przymocowanym do niego prêtem i pierœcienia, który mo e obracaæ siê wokó³ prêta. Chc¹c wyznaczyæ masê usypow¹ materia³u sypie siê badany materia³ do naczynia pomiarowego przez ustawiony nad nim pierœcieñ, a do nape³nienia naczynia. Po nape³nieniu naczynia pomiarowego obraca siê pierœcieñ dooko³a prêta do takiego po³o enia, aby nadmiar nasypanego materia³u zosta³ zgarniêty równo z powierzchni¹ górnej krawêdzi i spada³ na podstawkê przyrz¹du. Po zdjêciu pierœcienia wa y siê naczynie pomiarowe z nasypanym do niego materia³em. Masê usypow¹ oblicza siê ze wzoru: gdzie: 0 0 U V 9 (1.5) O M 1 masa nape³nionego naczynia pomiarowego, M 0 masa pustego naczynia pomiarowego, V l objêtoœæ naczynia pomiarowego. l l l Na podstawie masy usypowej rozró nia siê materia³y: lekkie, r s = 600 kg/m 3 (torf, drobne trociny), œrednio ciê kie, r s = 600 1100 kg/m 3 (py³y, popio³y), ciê kie, r s = 1100 2000 kg/m 3 (kruszywa mineralne). Gêstoœæ materia³u sypkiego. Oprócz masy usypowej przy projektowaniu maszyn i urz¹dzeñ do przeróbki i transportu materia³ów sypkich konieczna jest znajomoœæ gêstoœci masy w³aœciwej. Przez gêstoœæ materia³u sypkiego nale y rozumieæ œredni¹ gêstoœæ cz¹stek, z jakich materia³ siê sk³ada. Znajomoœæ masy usypowej jest np. niezbêdna do: l obliczenia wydajnoœci œrodków transportowych, l wyboru typu i rodzaju transportu, l obliczania si³ wystêpuj¹cych w urz¹dzeniach transportowych, l okreœlenia parcia na œciany i otwory wylotowe zbiorników, l w³aœciwego nape³nienia skrzyñ ³adunkowych pojazdów. Masa utrzêsiona. Innym wskaÿnikiem oceny w³aœciwoœci materia³ów sypkich jest masa utrzêsiona, zwana tak e gêstoœci¹ pozorn¹ (r u ). W zale noœci od cech granulometrycznych i wilgotnoœci wykazuje ona zmniejszenie objêtoœci materia³u w okreœlonych warunkach drgañ: 20

gdzie: 0 0 U X 9 9 (1.6) M 1 masa nape³nionego naczynia pomiarowego, M 0 masa pustego naczynia pomiarowego, V 2 objêtoœæ naczynia pomiarowego po utrzêsieniu, V 1 objêtoœæ naczynia pomiarowego przed utrzêsieniem. Masa utrzêsiona wyznaczana jest dla surowców pylistych za pomoc¹ aparatu Engelsmanna. Materia³ wsypuje siê do wyskalowanego cylindra o pojemnoœci 0,5 dm 3 przy amplitudzie 10 mm i czêstotliwoœci 150 wstrz¹sów na minutê. Po zakoñczeniu utrzêsania odczytuje siê objêtoœæ próbki oraz wa y siê j¹. Wartoœæ masy utrzêsionej podawana jest w kg/m 3. Niektóre materia³y sypkie przy d³ugotrwa³ym przechowywaniu zbrylaj¹ siê, tj. tworz¹ wiêksze, nierozsypuj¹ce siê samorzutnie aglomeraty. Sk³onnoœæ do zbrylania zwiêksza siê wraz z wysokoœci¹ warstwy sk³adowanego materia³u i najwiêksze bry³y tworz¹ siê przede wszystkim w dolnej czêœci warstwy. Wilgotne materia³y sypkie (tj. materia³y zawieraj¹ce wodê zwi¹zan¹ mechanicznie) zamarzaj¹ przy temperaturze otoczenia poni ej 0 C, tworz¹c zbite i twarde bry³y. Przyczepnoœæ. Kolejn¹ cech¹ charakteryzuj¹c¹ materia³ sypki jest jego przyczepnoœæ (adhezja). Du ¹ przyczepnoœæ wykazuj¹ zw³aszcza materia³y wilgotne. Przylepianie siê, tj. powierzchniowe ³¹czenie siê warstw dwóch ró nych materia- ³ów, mo na wyjaœniæ wzajemnym oddzia³ywaniem cz¹steczek materia³u, œcianek ograniczaj¹cych materia³ sypki i b³onki wodnej, tworz¹cej siê na powierzchni cz¹stek wilgotnego materia³u sypkiego, i rodzaju materia³u oraz stanu powierzchni œcianek ograniczaj¹cych. Przez odpowiedni dobór materia³u œcianek i g³adkoœæ ich powierzchni mo na znacznie ograniczyæ przylepianie siê materia³u sypkiego. Przy wysypywaniu siê niektórych materia³ów sypkich przez otwory wylotowe ze zbiorników tworz¹ siê nad tymi otworami nieruchome sklepienia, ograniczaj¹ce lub nawet ca³kowicie uniemo liwiaj¹ce dalsze wysypywanie siê materia³u ze zbiornika. Jest to zjawisko niepo ¹dane. Tworzeniu siê sklepieñ sprzyjaj¹ takie w³aœciwoœci materia³u, jak: sk³onnoœæ do zbrylania siê i do zamarzania materia³ów wilgotnych, spójnoœæ (kohezja) cz¹stek i przyczepnoœæ (adhezja). Na tworzenie siê sklepieñ w materia³ach o grubym uziarnieniu wp³ywa wielkoœæ cz¹steczki i stosunek wielkoœci cz¹stek do wielkoœci otworu wylotowego. Z materia³ów drobnoziarnistych najwiêksz¹ tendencjê do tworzenia sklepieñ wykazuj¹ materia³y ³atwo zbrylaj¹ce siê. K¹t zsypu naturalnego. Jedn¹ z wa niejszych w³aœciwoœci fizyczno-mechanicznych okreœlaj¹cych materia³ sypki jest k¹t zsypu naturalnego. Jego wartoœæ zale y od stopnia wzajemnej ruchliwoœci cz¹steczek, przy czym im ruchliwoœæ ta jest wiêksza, tym k¹t zsypu naturalnego jest mniejszy. 21

Naturalny k¹t zsypu wyznaczany jest podczas zsypywania ³adunku ziarnistego na p³aszczyznê poziom¹, przy niewielkiej prêdkoœci strumienia jego cz¹stek. Cz¹stki te tocz¹c siê w dó³ tworz¹ stok nachylony pod pewnym k¹tem do poziomu, który najczêœciej waha siê w granicach 30 40. Dla ³adunku suchego k¹t odpowiada w przybli eniu k¹towi tarcia wewnêtrznego i z tego powodu czêsto jest stosowany jako charakterystyczny parametr badanego materia³u ze wzglêdu na ³atwoœæ jego pomiaru. Z k¹tem zsypu zwi¹zana jest ruchliwoœæ wzajemna cz¹stek, która zale y od si³ spójnoœci pomiêdzy poszczególnymi cz¹stkami, jak równie od oporów tarcia powstaj¹cych przy wzajemnym przemieszczaniu siê cz¹stek. Nawet dla tego samego materia³u ruchliwoœæ nie jest wielkoœci¹ sta³¹, ale jest uwarunkowana wilgotnoœci¹, sk³adem frakcyjnym, kszta³tem i wymiarami cz¹stek, stopniem zagêszczenia, a dla materia³ów sk³onnych do zbrylania równie czasem przechowywania. Pod wzglêdem ruchliwoœci poszczególnych cz¹stek rozró niamy materia³y sypkie samozsypuj¹ce siê i niezsypuj¹ce siê samoczynnie. K¹t zsypu naturalnego przewa aj¹cej wiêkszoœci materia³ów zale y od wilgotnoœci i zwiêksza siê z jej wzrostem. K¹t zsypu naturalnego ma du e znaczenie przy transporcie, a w szczególnoœci wp³ywa na wydajnoœæ przenoœników taœmowych i innych. Niektóre materia³y maj¹ tak du y k¹t zsypu naturalnego, e konieczne jest stosowanie specjalnych urz¹dzeñ mechanicznych do umo liwienia ich ruchu po nachylonych powierzchniach. Zwiêz³oœæ. Istotn¹ cech¹ charakteryzuj¹c¹ materia³ sypki jest jego zwiêz³oœæ. Do materia³ów zwiêz³ych zalicza siê tak e materia³y, które wykazuj¹ du y opór na œcinanie przy bardzo ma³ych obci¹ eniach normalnych. Zwiêz³oœæ materia³u sypkiego mo na wyjaœniæ spójnoœci¹ jego cz¹stek. Spójnoœæ niektórych materia³ów mo e mieæ charakter mechaniczny. Spójnoœæ materia³ów jednorodnych jest wynikiem wzajemnego oddzia³ywania miêdzycz¹steczkowego, czyli tzw. si³ spójnoœci, przeciwstawiaj¹cych siê rozdzieleniu cz¹stek materia³u. Higroskopijnoœæ. Niektóre materia³y, jak sól, saletra amonowa, kreda, cukier i inne, cechuje higroskopijnoœæ, czyli zdolnoœæ ³atwego poch³aniania pary wodnej i wody z otoczenia. Materia³y te nale y sk³adowaæ w odpowiednich warunkach niedopuszczaj¹cych do wch³aniania wody (wentylacja pomieszczeñ sk³adowych, szczelne zbiorniki i worki) [Borowski 2009d]. 22

3. URZ DZENIA PRODUKCYJNE I LINIE TECHNOLOGICZNE DO BRYKIETOWANIA 3.1. Maszyny do brykietowania 3.1.1. Rodzaje i zastosowanie Do brykietowania materia³ów sypkich mo na stosowaæ brykieciarki t³okowe, œlimakowe, stemplowe i walcowe. Brykieciarki walcowe s¹ znacznie wydajniejsze od pozosta³ych i maj¹ szersze zastosowanie tam, gdzie powinna byæ zachowana ci¹g³oœæ produkcji. Brykieciarki (prasy) stemplowe natomiast mog¹ byæ wykorzystywane do okreœlenia w³aœciwoœci brykietów w warunkach laboratoryjnych, a tak e w produkcji jednostkowej i ma³oseryjnej. 3.1.2. Brykieciarka t³okowa (mimoœrodowa) Brykieciarki t³okowe wytwarzaj¹ brykiet cylindryczny o ci¹g³ej strukturze. Schemat ideowy brykieciarki t³okowej przedstawiono na rysunku 2. Prasy te dzia³aj¹ w wyniku pulsacyjnego oddzia³ywania t³oczyska na surowiec. Du a czêstotliwoœæ obrotów ko³a zamachowego wymaga solidnego umocowania urz¹dzenia w celu eliminacji skutków wibracji. Korpus maszyny charakteryzuje znaczna wielkoœæ i masa. Wydajnoœæ brykieciarek t³okowych mieœci siê w zakresie od 150 do 2500 kg/h. Powstaj¹ce brykiety maj¹ kszta³t cylindryczny, najczêœciej o œrednicy od 40 do Rys. 2. Schemat ideowy brykieciarki t³okowej: 1 mechanizm korbowodowy lub mimoœrodowy, 2 prowadzenie suwaka, 3 stempel prasuj¹cy, 4 mechanizm podaj¹cy, 5 komora wstêpnego zagêszczania, 6 komora prasuj¹ca [www.agroenergetyka.pl] 23

120 mm i d³ugoœci do 300 mm, która mo e byæ regulowana dodatkowymi elementami tn¹cymi [www.agroenergetyka.pl]. Ze wzglêdu na sposób wytwarzania powsta³y brykiet posiada warstwow¹ strukturê, która powoduje, e brykiety doœæ ³atwo ulegaj¹ rozwarstwianiu i kruszeniu w transporcie. Gruboœæ poszczególnych warstw uzale niona jest od rodzaju prasowanego materia³u i wynosi od kilku do kilkunastu milimetrów. Prasowany materia³ jest podawany ruchem ci¹g³ym do komory zasypowej. W wyniku cyklicznych uderzeñ t³oka po³¹czonego z mechanizmem mimoœrodowym (korbowodowym) materia³ jest przesuwany w kierunku komory prasuj¹cej. Komora ta ma kszta³t sto kowej tulei, w której nastêpuje w³aœciwa aglomeracja pod wp³ywem skokowych uderzeñ, dochodz¹cych do 200 MPa. W wyniku dzia³ania wysokich taræ miêdzycz¹steczkowych oraz na œciankach tulei nastêpuje znaczny wzrost temperatury. Powsta³y brykiet oddaje nadmiar energii cieplnej w walcowej tulei, która po³¹czona jest z kilku lub kilkunastometrow¹ prowadnic¹. Prowadnice stanowi¹ miejsce ostatecznego ustabilizowania parametrów, takich jak wilgotnoœæ i temperatura oraz uzyskania po ¹danych cech mechanicznych i fizycznych, a oprócz tego spe³niaj¹ funkcjê regulatora si³y oporu. 3.1.3. Brykieciarka œlimakowa Brykieciarki œlimakowe prasuj¹ rozdrobniony materia³ w sposób ci¹g³y, pod ciœnieniem przekraczaj¹cym 100 MPa i w temperaturach nierzadko przekraczaj¹cych 200 C [www.agroenergetyka.pl]. Schemat ideowy brykieciarki œlimakowej przedstawiono na rysunku 3. Du e si³y tarcia i temperatury pracy wymuszaj¹ zastosowanie na narzêdzia bardzo wytrzyma³ych i odpornych na œcieranie i temperaturê materia³ów. W brykieciarkach (prasach) tych powstaj¹ brykiety o najró niejszych przekrojach, najczêœciej okr¹g³ych, ale tak e szeœciok¹tnych i oœmiok¹tnych, Rys. 3. Schemat ideowy brykieciarki œlimakowej: 1 uk³ad ³o yskowania, 2 komora podaj¹ca, 3 œlimak podaj¹cy, 4 komora zagêszczaj¹ca, 5 œlimak prasuj¹cy, 6 grza³ka [www.agroenergetyka.pl] 24

z otworem w œrodku. Ich œrednica oscyluje wokó³ 60 mm, a d³ugoœæ jest regulowana przez ciêcie b¹dÿ ³amanie. Œlimak wykonuj¹c ruch obrotowy wymusza ruch surowca wzd³u swoich wrêbów, przez wszystkie swoje strefy w stronê otwartej komory prasuj¹cej. Na skutek napotkanych oporów roœnie ciœnienie i temperatura (czêsto wspomagana ciep³em p³yn¹cym od grza³ek) w wyniku czego zachodzi proces brykietowania. Praca œlimaka, przy du ych ciœnieniach, powoduje powstawanie bardzo du ych si³ tarcia zarówno wewn¹trz materia³u, jak i na powierzchniach narzêdzi. Tarcie powoduje powstawanie du ych iloœci ciep³a, które czêsto wzmacniane jest przez dodatkowe doprowadzenie go z zewn¹trz (przez œcianki tulei b¹dÿ podgrzanie samego materia³u przed prasowaniem). 3.1.4. Brykieciarki stemplowe Brykieciarki stemplowe s¹ to najczêœciej prasy hydrauliczne z zamkniêt¹ komor¹ prasowania. Wydajnoœæ urz¹dzenia uzale niona jest zarówno od konstrukcji, jak i od w³aœciwoœci prasowanego materia³u (wilgotnoœæ, rozdrobnienie, gêstoœæ) i rzadko przekracza 300 kg/h wytworzonych brykietów [www.agroenergetyka.pl]. Brykieciarki te charakteryzuj¹ siê wzglêdnie ma³¹ mas¹. Wytwarzaj¹ brykiety cylindryczne o warstwowej, ³amliwej budowie. Ich œrednica waha siê od 50 do 100 mm, a d³ugoœæ rzadko osi¹ga dwukrotnoœæ œrednicy. Na rysunku 4 pokazano budowê brykieciarki stemplowej, a na rysunku 5 przedstawiono jej schemat ideowy. Rys. 4. Budowa brykieciarki stemplowej: 1 zbiornik surowca, 2 si³ownik wstêpnego zgniotu, 3 elektrozawory, 4 szafa sterownicza, 5 zasilacz hydrauliczny, 6 si³ownik g³ównego prasowania, 7 komora zagêszczaj¹ca (wstêpna i w³aœciwa), 8 si³ownik krótkiego skoku, 9 element zacisku brykietu [www.agroenergetyka.pl] 25

Rys. 5. Schemat ideowy brykieciarki stemplowej: 1 mechanizm podaj¹cy, 2 stempel zagêszczaj¹cy, 3; 4; 8 si³owniki hydrauliczne, 5 stempel prasuj¹cy, 6 komora zagêszczaj¹ca, 7 komora prasuj¹ca, 9 mechanizm regulacji oporu prasowania [www.agroenergetyka.pl] Cykl pracy brykieciarki stemplowej przedstawia siê nastêpuj¹co: l mechanizm podaj¹cy (1) nape³nia komorê zagêszczaj¹c¹ (6) i prasuj¹c¹ (7) materia³em, l si³ownik hydrauliczny (3) przesuwa stempel (2) w dolne po³o enie, powoduj¹c zamkniêcie komory prasuj¹cej (7) i wstêpne zagêszczenie brykietowanego materia³u, l si³ownik hydrauliczny przesuwa stempel prasuj¹cy (5), który z kolei scala materia³ znajduj¹cy siê w tulei w kierunku poprzednio sprasowanego materia³u, l po osi¹gniêciu zak³adanego ciœnienia brykietowania (najczêœciej do 100 MPa) si³ownik mechanizmu regulacji oporu prasowania (9) przepycha brykietowany materia³ w kierunku wylotu urz¹dzenia. Zalety stosowania brykieciarek stemplowych to niskie koszty zakupu i eksploatacji, ³atwoœæ obs³ugi, wysoka trwa³oœæ oraz ³atwoœæ uzyskania brykietów o jednorodnej strukturze. Wadami tego urz¹dzenia s¹: niska wydajnoœæ, du y koszt wytworzenia brykietu, du a energoch³onnoœæ oraz wytwarzanie brykietów o ostrych krawêdziach. Brykieciarki stemplowe maj¹ zastosowanie w ma³ych zak³adach produkcyjnych, gdzie nie wystêpuje koniecznoœæ ci¹g³ego przetwarzania odpadów w brykiety. Przyk³adem tego typu urz¹dzenia jest laboratoryjna brykieciarka stemplowa RUF 2,2/2500/60, wykorzystywana do brykietowania metalowych odpadów drobnoziarnistych (rys. 6). 26

Rys. 6. Laboratoryjna brykieciarka stemplowa RUF 2,2/2500/60 (fot. Instytut Metalurgii elaza w Gliwicach) Maksymalne ciœnienie prasowania w tej brykieciarce wynosi 2500 kg/cm 2, œrednica brykietu wynosi 60 mm, wysokoœæ brykietu wynosi 30 80 mm, wydajnoœæ 2 brykiety/min. Istnieje mo liwoœæ usuwania nadmiaru wilgoci z materia³u podczas formowania brykietów [www.imz.pl]. 3.1.5. Brykieciarki walcowe Czêsto stosowan¹ maszyn¹ do brykietowania jest prasa walcowa (rys. 7). W brykieciarkach walcowych materia³ jest zagêszczany w sposób ci¹g³y miêdzy dwoma synchronicznie i przeciwbie nie obracaj¹cymi siê walcami. Zasadê pracy brykieciarki walcowej przedstawiono na rysunku 8. Powierzchnie walców posiadaj¹ wg³êbienia, w których zachodzi formowanie materia³u ziarnistego (rys. 8b). Tu po zakoñczeniu œciskania materia³u, gdy objêtoœæ przestrzeni utworzonej przez wg³êbienia formuj¹ce zaczyna zwiêkszaæ, nastêpuje czêœciowe rozprê enie struktury brykietu. Dozowanie materia³u miêdzy walce odbywa siê najczêœciej za pomoc¹ urz¹dzenia œlimakowego, gdzie nastêpuje tak e wstêpne zagêszczenie materia³u [Heim 2005]. 27

Rys. 7. Schemat brykieciarki walcowej: 1 silnik, 2 przek³adnia pasowa, 3 reduktor, 4 sprzêg³o zêbate, 5 klatka walców roboczych, 6 walce robocze, 7 przek³adnia zêbata otwarta, 8 zasilacz [www.agroenergetyka.pl] a b Rys. 8. Zasada pracy brykieciarki walcowej: a kszta³t walców, b etapy prasowania, 1 walec, 2 wg³êbienia, 3 zasyp surowca [Heim 2005] 28

Brykieciarki walcowe charakteryzuje wysokie ciœnienie prasowania, du a wydajnoœæ (liczona w MPa) i sprawnoœæ, a tak e odpornoœæ na zu ycie narzêdzi formuj¹cych. Znalaz³y one zastosowanie przy masowym brykietowaniu materia³ów drobnoziarnistych, czy te materia³ów pylistych, co umo liwia ekonomiczny transport i sk³adowanie ze wzglêdu na zmniejszenie objêtoœci tych materia³ów. Pocz¹tkowo brykieciarki walcowe projektowano i wykonywano dla œciœle okreœlonych materia³ów drobnoziarnistych. Obecnie powstaje wiele uniwersalnych rozwi¹zañ konstrukcyjnych tych urz¹dzeñ [Babanin i in. 2007]. Powszechnie stosuje siê prasy dwuwalcowe. Znane s¹ tak e brykieciarki z jednym walcem lub czterema walcami. Powierzchnie robocze walców mog¹ byæ g³adkie, mieæ wypusty zewnêtrzne lub wg³êbienia. Czêœæ robocz¹ walców wykonuje siê w postaci pierœcieni lub segmentów. Elementy formuj¹ce umieszcza siê wewn¹trz lub na zewn¹trz ramy. Prasy s¹ w zale noœci od potrzeb wyposa one w zasilacze grawitacyjne lub wymuszaj¹ce przep³yw nadawy. Poni ej podano zakresy niektórych parametrów charakteryzuj¹cych oferowane w œwiecie prasy walcowe [Hryniewicz 2002]: l œrednica walców 130 1600 mm, l szerokoœæ walców 100 1500 mm, l maksymalna wartoœæ si³y docisku walca przesuwnego 100 25 000 kn, l wartoœæ prêdkoœci obwodowej walców 0,1 1,0 m/s, l moc silnika napêdu g³ównego 4 650 kw, l masa prasy walcowej 50 13 500 kg, l wydajnoœæ prasy walcowej 50 12 000 kg/h. Brykieciarki walcowe wyró nia ci¹g³y charakter pracy, mo liwoœæ uzyskania du ej wydajnoœci oraz niewielkie koszty eksploatacji. Istotn¹ zalet¹ pras walcowych jest mo liwoœæ stosowania uk³adów formuj¹cych umo liwiaj¹cych uzyskanie brykietów o zaokr¹glonym kszta³cie i pozbawionych ostrych krawêdzi. W porównaniu do brykieciarek stemplowych brykieciarki te charakteryzuje wy sza cena zakupu oraz szybsze zu ywanie elementów formuj¹cych. Brykieciarki produkowane przez firmê Komarek (USA) posiadaj¹ walce umieszczone zarówno poziomo obok siebie, jak i pionowo jeden nad drugim (rys. 9). Dane techniczne przedstawionych brykieciarek podano w tabeli 1 [www.komarek.com]. Pierœcienie formuj¹ce mog¹ byæ wymienne, ale stosuje siê te pierœcienie zintegrowane na sta³e z walcami, co pozwala na zastosowanie dogrzewania b¹dÿ ch³odzenia wod¹ powierzchni formuj¹cych. Brykieciarki te posiadaj¹ ró nego typu zasobniki do podawania materia³u. W przypadku materia³ów trudnych do brykietowania wykorzystuje siê zasobniki dogêszczaj¹ce z mechanizmami œrubowymi, czêsto zaopatrzone w system grzejny umo liwiaj¹cy dosuszanie mieszanki. Stosuje siê ponadto zasobniki z urz¹dzeniem mechanicznie rozdrabniaj¹cym ziarna mieszanki. 29

a b Rys. 9. Brykieciarki z walcami roboczymi umieszczonymi: a poziomo, b pionowo (fot. K.R. Komarek, Inc.) Tabela 1. Dane techniczne dwóch ró nych typów brykieciarek 30 3DUDPHWU -HGQRVWNL %U\NLHFLDUNDSR]LRPD '+U\VD %U\NLHFLDUNDSLRQRZD %%U\VE UHGQLFDZDOFyZ PP ± 6]HURNR üzdofyz PP ± 0DNV\PDOQ\QDFLVN N1 0RFQDS GXJáyZQHJR N: 0RFSRGDMQLND N: :\GDMQR ü NJK ± ±

Przyk³adem krajowej brykieciarki walcowej jest opracowana przez AGH w Krakowie laboratoryjna prasa walcowa LPW 450 (rys. 10). Sk³ada siê z nastêpuj¹cych zespo³ów: l napêdu g³ównego prasy, l elektronicznego uk³adu regulacji prêdkoœci obrotowej silnika, l klatki walców formuj¹cych wraz z zasilaczem, l uk³adu hydraulicznego docisku walca przesuwnego, l uk³adu pomiarowego. 1 2 3 4 5 Rys. 10. Widok ogólny laboratoryjnej prasy walcowej LPW 450: 1 zasilacz grawitacyjny, 2 silnik elektryczny, 3 klatka walców zêbatych, 4 os³ona sprzegie³, 5 klatka walców formuj¹cych (fot. G. Borowski) Uk³ad napêdowy zapewnia p³ynn¹ regulacjê wartoœci prêdkoœci obwodowej walców w zakresie 0,1 0,5 m/s. W klatce walców formuj¹cych znajduj¹ siê dwa walce o œrednicy 450 mm nieprzesuwny oraz przesuwny. Maksymalna wartoœæ si³y docisku walca przesuwnego wynosi 220 kn. Prasa walcowa LPW 450 posiada konstrukcjê o osi walców u³o onych w p³aszczyÿnie poziomej. Jej zadaniem jest utworzenie z materia³u sypkiego wyrobu zespolonego (brykietu) w wyniku dzia³ania si³ nacisku obracaj¹cych siê walców i o postaci utworzonej przez wykrój tych walców (pierœcieni). Przygotowany do brykietowania materia³ mo e byæ podawany w strefê zagêszczania prasy walcowej przy pomocy zasilacza grawitacyjnego, zbie nokana³owego lub œlimakowego. Wybór sposobu podawania materia³u zale y od jego w³aœciwoœci. 31

Schemat funkcjonalny laboratoryjnej prasy walcowej LPW 450 przedstawiono na rysunku 11 [Hryniewicz 1997]. Napêd g³ówny prasy sk³ada siê z asynchronicznego silnika elektrycznego (1) napêdzaj¹cego, przez przek³adniê pasow¹ (2), przek³adniê bezstopniow¹ (3), która zapewnia p³ynn¹ regulacjê wartoœci prêdkoœci obwodowej walców formuj¹cych (8) i (9), w zakresie 0,1 0,5 m/s. Przek³adnia bezstopniowa jest sprzêgniêta za poœrednictwem sprzêg³a podatnego (4) z klatk¹ walców zêbatych (5). Spe³nia ona rolê reduktora oraz umo liwia synchronizacjê obrotów walców formuj¹cych. W sk³ad klatki walców formuj¹cych wchodzi m.in. rama (11), w której s¹ u³o yskowane tocznie dwa walce o œrednicy 450 mm, nieprzesuwny (8) oraz przesuwny (9). Walec przesuwny jest podparty dwoma si³ow- Rys. 11. Schemat funkcjonalny laboratoryjnej prasy walcowej LPW 450: 1 silnik asynchroniczny napêdu g³ównego, 2 przek³adnia pasowa, 3 przek³adnia bezstopniowa, 4 sprzêg³o podatne, 5 klatka walców zêbatych, 6 sprzêg³o cierne, 7 sprzêg³o Oldhama, 8 nieprzesuwny walec formuj¹cy, 9 przesuwny walec formuj¹cy, 10 element sprê ysty, 11 rama, 12 si³ownik nurnikowy, 13 silnik asynchroniczny, 14 przek³adnia pasowa, 15, 16 zawory przelewowe, 17 pompa hydrauliczna, 18 pulsator hydrauliczny, 19, 20 zawory d³awi¹ce jednostronnego dzia³ania, 21 zawór odcinaj¹cy, 22 manometr, 23 zasobnik grawitacyjny, 24 tensometryczne przetworniki si³y nacisku, 25 transformatorowy przetwornik przemieszczenia walca przesuwnego, 26 wzmacniacze pomiarowe, 27 rejestrator [Hryniewicz 1997] 32

nikami nurnikowymi (12). S³u ¹ one do wywierania za³o onego nacisku podczas brykietowania. Skomplikowany charakter uk³adu hydraulicznego wi¹ e siê z mo liwoœci¹ stosowania pulsuj¹cej si³y docisku walca przesuwnego. 3.2. Przyk³adowe koncepcje przemys³owych linii technologicznych 3.2.1. Brykietowanie surowców energetycznych Przedstawiona na rysunku 12 linia technologiczna s³u y do otrzymywania zbrykietowanego paliwa energetycznego z takich surowców jak mia³ wêglowy oraz biomasa. Wstêpnie rozdrobniona w m³ynku no owym (1) biomasa jest podawana jest do prasy filtracyjnej (2), a nastêpnie do kosza zasypowego mieszarki œlimakowej (5). Do mieszarki jest równie podawany rozdrobniony w m³ynku udarowym (3) wêgiel kamienny oraz roztwór lepiszcza ze zbiornika z mieszad³em (4). Uœredniona mieszanka jest transportowana nastêpnie do suszarki bêbnowej (6) sk¹d po podsuszeniu przenoœnikiem kube³kowym (7) jest dostarczana do prasy walcowej (8). Brykiety po odsianiu na ruszcie separatora (9) s¹ transportowane przenoœni- ELRPDVD Z JLHO PHODVD EU\NLHW\ Rys. 12. Koncepcja przemys³owej linii technologicznej do brykietowania surowców energetycznych: 1 m³ynek no owy, 2 prasa filtracyjna, 3 m³ynek udarowy, 4 zbiornik melasy, 5 mieszalnik œlimakowy, 6 suszarka bêbnowa, 7 przenoœnik kube³kowy, 8 brykieciarka walcowa, 9 separator, 10 przenoœnik kube³kowy do zawrotu odsiewu, 11 przenoœnik taœmowy do odbioru brykietów, 12 kontener na brykiety 33