Systemy jakości w produkcji i obrocie biopaliwami stałym Zajęcia I - Surowce biomasowe w produkcji biopaliw. Techniki i technologie przetwarzania wstępnego surowca (zrębkowanie, rozdrabnianie). grupa 1, 2, 3
Rozdrabniane wstępne surowca Biomasa do produkcji biopaliw kompaktowanych może mied różne pochodzenie (biomasa drzewna, zielna, owocowa lub mieszanki i mieszaniny), a tym samych charakteryzuje się różnymi właściwościami fizyczno-chemicznymi (wielkośd cząstek, gęstośd właściwa i usypowa, wilgotnośd itp.) w związku z tym konieczne jest poddanie jej procesom ujednolicającym. Pierwszym z tych procesów jest rozdrabnianie wstępne. Proces ten prowadzony jest w celu rozdrobnienia materiału wejściowego do długości około 25 mm. Stopieo wstępnego rozdrobnienia materiału powinien byd optymalny, między innymi ze względu na właściwy przebieg procesu suszenia. W zależności od formy biomasy wejściowej proces ten realizowany jest na rębarkach (biomasa drzewna) oraz rozdrabniaczach do słomy. Rys. Redukcja wielkości cząstek biomasy poprzez rozdrabnianie. Źródło: opracowanie własne Rębarki produkowane są w szerokim zakresie wydajności, od małych urządzeo ogrodowych wytwarzających do 1 m 3 /h zrębek i rozdrabniających tylko niewielkie gałęzie o maksymalnej średnicy 70 mm, poprzez bardziej profesjonalne jednostki o wydajności 2-10 m 3 /h, po urządzenia przemysłowe zdolne rozdrabniad nawet całe drzewa.
Zrębkowany materiał podawany jest do leja zasypowego, na koocu którego znajdują się najczęściej walce wciągające. Materiał podawany jest do systemu rozdrabniającego, gdzie następuje jego rozdrabnianie oraz transport na zewnątrz. Urządzenia te ze względu na środowisko pracy produkowane są jako maszyny stacjonarne lub mobilne. W większości przypadków maszyny stacjonarne charakteryzują się większą wydajnością i instalowane są najczęściej w zakładach przemysłowych. Rębarki ze względu na zastosowany system roboczy można podzielid na trzy zasadnicze grupy: tarczowe, bębnowe oraz ślimakowe. a) b) c) 1 2 3 6 4 1 7 5 9 10 5 8 5 Rys. Rodzaje rębarek; a tarczowa, b bębnowa, c ślimakowa; 1 nóż, 2 tarcza, 3 skrzydło wentylatora, 4 otwór w tarczy, 5 system zadawania, 6 system mocowania noży, 7 bęben, 8 sito, 9 wylot zrębków, 10 ślimak zrębkujący Rębarki tarczowe Największe zastosowanie w rozdrabnianiu biomasy znalazły urządzenia wyposażone w tarczowy system tnący. Prosta zasada działania oraz stosunkowo duża wydajnośd spowodowała ich dużą popularnośd. Tarczowy system rozdrabniający pracuje w płaszczyźnie prostopadłej lub pod niewielkim kątem (do 20º) do osi podawania materiału. Cięcie wraz z rozdrabnianiem materiału podtrzymywanego przez krawędź przeciwtnącą (stalnica) realizowane jest przez noże mocowane promieniowo na tarczy roboczej (rys.105a). Liczba noży
uzależniona jest od konstrukcji maszyny i jej parametrów roboczych (średnica tarczy, obroty robocze). Odległośd robocza pomiędzy krawędziami noża oraz stalnicy wynosi ok. 1 mm. Ta stosunkowo niewielka odległośd powoduje jednak, że w przypadku rozdrabniania świeżych pędów wierzby, otrzymywane zrębki charakteryzują się dużym zróżnicowaniem wielkości cząstek. Wilgotne łyko wykazuje dużo większą elastycznośd, w efekcie czego w procesie ząbkowania często nie jest docinane, lecz rozrywane w odległości większej niż długośd ząbkowania. Wilgotne zrębki posiadają więc fragmenty łyka zwiększające ich długośd całkowitą, a tym samym pogarszają ich jakośd. Rys. Przykładowe zrębki wierzby z niedociętym łykiem. Foto: K. Mudryk Odbiór uzyskanych zrębków realizowany jest najczęściej poprzez system łopatek, umieszczonych na drugiej stronie tarczy, działających jako przenośnik pneumatyczny. Spotykane są również rozwiązania rębarek z układem odbioru zrębków w formie przenośników taśmowych lub ślimakowych. Długośd zrębków (najczęściej w przedziale 5-60 mm) ustalana jest poprzez zmianę prędkości obrotowej tarczy zrębkującej lub zmianę prędkości podawanego materiału. W sytuacji gdy tarcza rozdrabniacza, pracuje jako element tnąco-transportujący, zmiana obrotów realizowana może byd tylko w niewielkim zakresie, tak aby zapewnione było minimalne natężenie przepływu powierza transportującego uzyskane zrębki. a) b)
Rys. Rębarki tarczowe; a widok maszyny w trakcie pracy, b elementy robocze Rębarki bębnowe Kolejna grupa maszyn rozdrabniających to rębarki bębnowe posiadające system rozdrabniający w postaci noży umieszczonych na bębnie roboczym (rys.105b). Również w tym przypadku materiał opierający się na nieruchomej stalnicy odcinany jest przez nóż. W trakcie cięcia materiału można wyszczególnid etapy przecinania oraz rozłupywania. Rębarki bębnowe charakteryzują się dośd znaczną zwartością budowy dzięki czemu unika się odkształceo bębna roboczego, a tym samym noży umieszczonych na nim. Można wiec ustalid mniejszą szczelinę roboczą (0,2-0,5mm) pomiędzy krawędziami tnącymi (nóż-stalnica). Zmniejszenie szczeliny poprawia jakośd cięcia, co jest bardzo istotne przy rozdrabnianiu materiałów takich jak wierzba oraz topola, które posiadają trudne do przecinania łyko. Systemy te stosowane są między innymi w sieczkarniach samojezdnych do zbioru zielonek, które najczęściej adaptuje się do zbioru roślin energetycznych. Uzyskana masa zrębków charakteryzuje się dużą jednolitością i wyrównaniem frakcji głównej, co jest istotne z punktu wiedzenia dalszych procesów przetwarzania (suszenia, transportowania). Niedogodnością systemu bębnowego jest koniecznośd stosowania dodatkowych układów transportujących rozdrobnioną masę. Najczęściej są to przenośniki taśmowe lub ślimakowe (maszyny stacjonarne) oraz wyrzutniki pneumatyczne (maszyny mobilne). Regulacja długości cięcia w rębarkach bębnowych realizowana jest poprzez zmianę prędkości bębna (w szerszym zakresie niż w przypadku układów tarczowych) oraz podawanego materiału.
Systemy bębnowe znalazły również zastosowanie w dużych maszynach stacjonarnych, gdzie konieczna jest mała wrażliwośd na zmienne właściwości rozdrabnianego materiału (zmienna wielkośd zrębkowanego materiału kłody, gałęzie, pniaki itp.). W celu polepszenia warunków pracy tych maszyn stosowane są rozwiązania bębnów zrębkujących z dzielonymi nożami, przesuniętymi na obwodzie. Rozwiązanie to pozwala zmniejszyd maksymalne obciążenie bębna roboczego oraz sprawia, iż praca maszyny jest bardziej ustabilizowana. Rys. Bęben zrębkujący z dzielonymi nożami Pewną modyfikacją tego systemu jest zastosowanie na części obwodu bębna roboczego sita otworowego celem jeszcze lepszego ujednolicenia rozdrabnianej masy. Badania prowadzone przez autorów, dotyczące rozdrabniania pędów wierzby energetycznej na rębarce bębnowej, pozwoliły określid nakłady energetyczne ponoszone na ten proces jak również jakośd uzyskiwanych zrębków *Frączek, Mudryk 2009b+.
[Wh/kg] Projekt Wiedza i umiejętności kluczem do sukcesu inżynierów Ochrony Środowiska oraz Rys. Rębarka bębnowa. Foto: K. Mudryk Duża zawartośd wody w pędach zrębkowanej rośliny wiąże się ze znacznym obniżeniem energochłonności. Rozpatrując proces samego zrębkowania można stwierdzid, iż nakłady energetyczne przy zrębkowaniu materiału o wilgotności 55 %, są około dwa razy niższe niż w przypadku 18 %. Tym niemniej wilgotnośd taka niesie ze sobą trudności związane z magazynowaniem zrębków. W pryzmach może dojśd do zagrzewania się masy w wyniku czego może dojśd nawet do samozapłonu lub rozwoju grzybów i bakterii. W warunkach beztlenowych bakterie doprowadzają do rozkładu białka w wyniku czego powstaje nieprzyjemny zapach, a pędy ulegają rozkładowi. EC [Wh/kg] 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 w [%] Rys. Energia jednostkowa rozdrabniania pędów wierzby w zależności od ich wilgotności
Udział [%] Projekt Wiedza i umiejętności kluczem do sukcesu inżynierów Ochrony Środowiska oraz Wyznaczone składy granulometryczne przedstawione na histogramach wskazują, iż wraz ze wzrostem wilgotności rozdrabnianych pędów rośnie udział frakcji dłuższych w masie zrębków, a histogram ulega spłaszczeniu. Długości zrębków w jednej próbie są mocno zróżnicowane. Najlepszą jakością charakteryzowały się zrębki uzyskane z pędów o wilgotności 18% aż 90% frakcji posiadało długośd do 50 mm. Frakcja [mm] Rys. Skład granulometryczny zrębków wierzby w zależności od wilgotności zrębkowanych pędów Rębarki ślimakowe Ostatnia grupa maszyn rozdrabniający to rębarki ślimakowe, które charakteryzują się dużą stabilnością pracy (brak cięcia udarowego). Podawany materiał rozdrabniany jest za pomocą krawędzi tnącej w postaci uzwojenia ślimaka. Jego stożkowy kształt powoduje, iż materiał jest jednocześnie wciągany oraz zrębkowany. Dośd istotną wada tego systemu jest brak płynnej regulacji długości zrębków, która może byd realizowana jedynie poprzez zamontowanie ślimaka o innym skoku. W przypadku zrębkowania materiałów posiadających tzw. łyko, w tych maszynach występuje również problem z jego przecinaniem. Jakośd uzyskanych zrębków jest obniżona, podobnie jak w przypadku rębarek tarczowych. a) b)
Rys. Rębarka ślimakowa firmy Laimet HP-21, a- widok maszyny, b widok ślimaka zrębkującego oraz sposób jego ostrzenia Przedstawione powyżej urządzenia stosowane są przede wszystkim do przetwarzania biomasy drzewnej. Do rozdrabniania słomy traw oraz bylin w formie kostek i beli konieczne jest stosowanie rozdrabniaczy pracujących podobnie jak sieczkarnie, gdzie elementy robocze (nóż stalnica) pracują w tzw. kontakcie bezpośrednim lub jako szarpacze. W sieczkarniach możliwe jest rozdrabnianie materiału w formie wiązek lub małych kostek. Otrzymywany produkt to sieczka o regulowanej długości w przedziale 10-60 mm. Materiał ten charakteryzuje się dużym ujednoliceniem frakcji, co podnosi jego jakośd. Prowadzone badania dotyczące rozdrabniania wierzby *Frączeki i inni 2009+ wykazały, iż możliwe jest wykorzystanie w tych celach sieczkarni toporowych. W badaniach rozdrabniano pędy wierzy o średniej średnicy przy podstawie 24 mm oraz o wilgotności 12-51%. Uzyskiwane zrębki charakteryzowały się duża jednorodnością, a określone zapotrzebowanie energetyczne wyrażone nakładach energetycznych na jednostkę masy zrębków wynosiło 0,65 Wh/kg dla wilgotności 51% oraz 2,7 Wh/kg dla 12%. Zmiany nakładów energetycznych w zależności od wilgotności materiału (12-52%) można opisad wielomianem drugiego stopnia (E = 0,086w 2-0,264w + 0,93, R² = 0,97). a) b)
Rys. Sieczkarnia toporowa CLAAS Optimat; a - widok ogólny, b element tnący, http://www.iagro.pl/s/sieczkarnia Drugą grupą urządzeo stosowanych do rozdrabniania słomy w szczególności w formie dużych bel i kostek są szarpacze. Rozdrabnianie realizowane jest przez wirujący element roboczy (najczęściej nóż), do którego materiał podawany jest grawitacyjnie lub przenośnikami mechanicznymi. a) b) Rys. Szarpacze słomy; a- z tarczowym systemem rozdrabniania, b z bębnowym systemem rozdrabniania Elementy robocze w tych maszynach mogą pracowad w układzie tarczowym jak również bębnowym bez krawędzi przeciwtnącej. Uzyskiwany materiał stanowi sieczka o zróżnicowanych wielkościach cząstek nawet do 0,2 m. Główne zadanie stawiane szarpaczom to wstępne rozdrobnienie materiału wcześniej sprasowanego. W systemach tych na ogół nie ma możliwości regulacji długości sieczki, natomiast uzyskany materiał
przeznaczony jest do dalszego przetwarzania, najczęściej z pominięciem etapu suszenia. Pomimo szerokiej gamy dostępnych rozwiązao związanych z rozdrabnianiem biomasy ciągle prowadzone są prace badawcze i projektowe mające na celu opracowanie nowych technik rozdrabniania biomasy. Poszukuje się rozwiązao pozwalających na uzyskanie wyrównanego pod względem składu granulometrycznego produktu przy jednoczesnym dążeniu do minimalizacji nakładów energetycznych. Przykładem takiego rozwiązania może byd układ przedstawiony na rysunku poniżej. 6 4 1 2 3 5 Rys. Schemat rębarki kawałkującej z tarczowy system tnącym wyposażonym w noże wstęgowe 1 tarcza, 2 ogranicznik, 3 nóż wstęgowy, 4 rolki podające, 5 stalnica, 6 zrębkowany materiał. Prezentowane rozwiązanie pozwala na pozyskiwanie materiału kawałkowego, który może byd bezpośrednio wykorzystywany w systemach energetycznych. W przypadku kiedy materiał poddawany jest dalszym procesom przetwarzania, możliwe jest zastosowania dodatkowych urządzeo pozwalających na redukcję wielkości cząstki. Na poniższych rysunkach przedstawiono schematy urządzeo do redukcji wielkości cząstek. Pierwszy z nich przedstawia bębnowy układ kruszący. Dwa walce pracujące współbieżnie, posiadające elementy kruszące na powierzchni bocznej, rozłupują kawałkowany materiał wzdłuż włókien. W drugim przypadku materiał rozdrabniany jest w rozdrabniaczu młotkowym. Innym sposobem redukcji wielkości cząstek otrzymywanych w rębarkach kawałkujących jest zastosowanie walców zgniatających materiał przed rozdrobnieniem, które jednocześnie realizują funkcje układu podawania surowca.
a) b) Rys. Schematy układów redukujących wielkośd cząstek; a układ bębnowy, b układ bijakowy Rys. Rębarka kawałkująca z walcowym systemem wstępnego zgniatania surowca