A dendromassza alapú pelletálás energiaszükségletének csökkentésére irányuló kutatások

A dendromassza alapú pelletálás energiaszükségletének csökkentésére irányuló kutatások kapcsán Kocsis Zoltán tartott előadást a 2013-as innoLignum Sopron erdészeti és faipari kiállítás és vásár “Faenergetika napjainkban” című konferenciáján. A tanulmány összefoglalója most az Erdő-Mező Online portálon is olvasható!

h i r d e t é s

A dendromassza alapú pelletálás energiaszükségletének csökkentésére irányuló kutatások Kocsis Zoltán, Varga Mihály, Németh Gábor NymE FMK, Gépészeti és Mechatronikai Intézet Kulcsszavak: pelletálás, tömörödés, energiafelhasználás Bevezetés Jelen átfogó cikkhez kapcsolódó kutatásokat a TÁMOP-4.2.2.A-11/1/KONV-2012-0068 jelű, „Környezettudatos, energiahatékony épület” című projekt keretében megvalósuló „Dendromassza alapú energiaforrások” alprojekten belül végeztük el. Az alprojekten belül a pelletálhatósági vizsgálatokat és pelletek energetikai hasznosíthatóságát is vizsgáljuk. Fő célunk a por-forgács állapotú anyag pelletálásához kötődő energiafelhasználás racionalizálása és a pellet racionális energetikai hasznosításának vizsgálata. A dendromassza alapú tüzelőanyagok esetén a tömörítési eljárásokkal (pl. a pelletálással) a térfogatsúlyt változtatjuk elsősorban. A fő tüzeléstechnikai jellemző, a fűtőérték esetén az alapanyaghoz képest nagymértékű változást nem tapasztaltunk, hiszen az alapanyag tulajdonságát elsősorban az elemi összetevők aránya (C, H, O, N, S) szabja meg, ami adott, tehát a pelletálás során ezen nem változtattunk. Érdekes kérdést vet fel azonban, hogy a pelletálás során sokszor 80–90°C-os hőmérséklet – melyet a matrica furatai és a por-forgács halmaz közötti, valamint a halmazon belüli súrlódás eredményez – hatására a fában lévő lignin kissé meglágyul, tulajdonképpen részben ez is eredményezi, hogy mint természetes kötőanyag, növeli a pellet szilárdsági tulajdonságait. A por-forgács állapotú anyag pelletálásának energiaszükséglete nagyban függ elsősorban a tömörítés mértékétől, az „alapanyag” szemcseösszetételétől, nedvességtartalmától. eloadas10

A pelletálás során lejátszódó tömörödés vizsgálatának alapjai A gyakorlatban manapság egyre nagyobb arányban terjed az egyes mezőgazdasági vagy faipari anyagok pelletálása, amelynél a nyomás eléri vagy meghaladja az 1000 bar értéket (általában 1000–1500 bar). A fapelletek esetén fontos követelmény a tömörödés vizsgálata, hiszen fontos, hogy a pellet állékony legyen és szállítás közben ne essen szét. Az állékonyságot a nedvességtartalom, az elért sűrűség és a préselési hőmérséklet befolyásolja. A por-forgács halmazok tömörödési vizsgálatainak tehát nagy gyakorlati jelentősége van mind a pelletálási, mind pedig a brikettálási technológiák területén. A tömörítési folyamatok hatására az anyag kisebb térfogatú lesz, sűrűsége pedig növekszik. A pellet kiinduló sűrűsége elsősorban a szemcsék méretelosztásától (szemcseméret) függ, a szemcsék sűrűsége azt kevésbé befolyásolja. A fűrészporok laza térfogatsúlya 200–220 kg/m3, míg az elkészült pelletömlesztett sűrűsége 650–700 kg/köbméter, tömör sűrűsége 1100–1200 kg/m3 körül van. A kész pellet jellemző méretei: – átmérő: 6–10 mm, – hossz: 20–40 mm. Mivel a pellet az előállítása során a falsúrlódások révén elég jelentősen felmelegszik, ezért a hőmérsékletnek is fontos szerepe van a kialakult pellet tulajdonságaira, elsősorban a sűrűségre és a nyomásviszonyra (felhasznált energiára). Az üzemmeleg (kilépő pellet hőmérséklete) állapot 80–90°C körüli. A kísérlet során éppen ezért vizsgálat alá vontuk a faanyag tömörödésének hőmérsékletfüggését is. Mint tudjuk, hő hatására a faanyag plasztikussá válik, vagyis adott sűrűség kisebb nyomással érhető el, és ez az összenyomott anyag a tehermentesítést követően kevésbé rugózik vissza, tehát nagyobb lesz a maradó deformáció mértéke. A hőmérséklet hatása kedvezően hat a tömörödés energiamérlegére, mivel a hőmérséklet emelkedésével a relatív falsúrlódási tényező is csökken. Természetesen a tömörítő csatorna felfűtésekor a hőmérsékleti korlátokat be kell tartani, ugyanis 100°C feletti hőmérsékleten a farészekből kiáramló parciális vízgőznyomás negatívan hat a kialakult pellet tulajdonságaira, azaz adott nyomáson kisebb pellet sűrűség érhető el, ezáltal előfordulhat, hogy a pellet a tömörítést követően „szétesik”. Az állandó nyomáson tartott faanyag kúszik, vagyis tovább tömörödik. A por-forgács halmazok előzetes tömörítéses vizsgálatai (Prof. Dr. Sitkei György által vezetett OTKA kutatások) azt mutatták, hogy még egészen kis összenyomásnál sem rendelkeznek a Hooke-féle rugalmassági tulajdonságokkal. A terhelési ciklus végén mindig visszamarad egy bizonyos mértékű deformáció. A deformáció nagy része a tehermentesítés során nem nyerhető vissza, a feszültség-deformáció viszony az idő mellett a feszültség nagyságától is függ, tehát nemlineáris viszkoelaszticitásról beszélhetünk. Mivel a faanyag nem lineáris viselkedést mutat a gyakorlatban a tömörítés hatására, ezért nehéz egzaktul meghatározni pl. az energiafelhasználás szempontjából kedvező gyártási paramétereket. Éppen ezért célzott alapkutatásokba kezdtünk. A folyamatban lévő kutatások során a pelletálási folyamatra jellemző nyomófejeket készítettünk (1-2. ábra). A tervezésnél kiemelt fontosságú volt a nyomórúd kihajlásra történő méretezése, hisz ez határozta meg a tömörödési magasságot, adott átmérő mellett. A nyomófej tervezésénél a fő szempont az volt, hogy olyan hosszú legyen a tömörítő csatorna, hogy a tömörítés végén a gyakorlatban előforduló hosszúságú pelletet kapjunk eredményül. Az elkészített nyomófejekkel történő mérések lehetővé tették, hogy a faanyag feszültség-deformáció (terhelés-alakváltozás) összefüggéseit az idő függvényében különböző mérési paraméterek figyelembevételével meg tudjuk határozni. [caption id="attachment_5601" align="aligncenter" width="600"] 1. ábra A tömörödési vizsgálatok elvégzéséhez szükséges nyomófej (nyomófej átmérője 6mm)

1. ábra: A tömörödési vizsgálatok elvégzéséhez szükséges nyomófej (nyomófej átmérője 6mm)[/caption] Az 1. ábrán látható nyomófej geometriai kialakításából adódóan lehetőségünk volt a tömörödési tartományban (karcsúsított szakasz) a faanyagot előmelegíteni, vagyis a tömörödés hőmérsékletfüggését is megvizsgálni. Ugyanis a hőmérséklet növekedésével a relatív súrlódási tényező csökken, vagyis ugyanazt a sűrűséget kisebb erőkifejtéssel és vele összefüggésben energiával tudjuk elérni. A hőközlést a nyomófej karcsú szakasza köré tekert szabályozható villamos fűtőszállal oldottuk meg (2. ábra). [caption id="attachment_5600" align="aligncenter" width="563"] 2. ábra A 6mm-es nyomófej fűtésének gyakorlati megoldása

2. ábra: A 6mm-es nyomófej fűtésének gyakorlati megoldása[/caption] Az 1. ábrán látható karcsúsított kialakításnak az a hátránya, hogy a falsúrlódás miatti nyomásesés nem lesz egyforma a tömörített pellet hossza mentén (3. ábra). Ugyanis minél nagyobb a tömörítő csatorna magasság/átmérő hányadosa (vagyis túl kicsi a csatorna átmérője a magasságához képest), annál nagyobb lesz a relatív falsúrlódás, vagyis annál nagyobb lesz a nyomáskülönbség és ezáltal a sűrűség is a pellet hossza mentén (3. ábra). [caption id="attachment_5599" align="aligncenter" width="459"]

3. ábra: A falsúrlódás miatti sűrűségkülönbség tölgy mintán[/caption] Előmelegíteni a faanyagot teljes keresztmetszetében viszont csak ilyen kis átmérőtartományban (jelenleg 6mm) lehetséges jó hatásfokkal, mivel a fa rossz hővezető (jó hőszigetelő). Ezért a további koncepciónk az volt, hogy még két átmérőtartományban (8mm és 16mm) vizsgáljuk meg a tömörödési folyamatokat és akkor össze tudjuk hasonlítani a méréseket (vagyis vizsgálni tudjuk a falsúrlódás befolyásoló hatását) úgy, hogy a kapott térfogatból visszaszámoljuk a sűrűségeket. Ehhez viszont az 1. ábrán lévő nyomófejet újra el kellett készítenünk a fent említett két mérettartományban. Kutatás folyamata és jelenlegi állása Az elsődleges vizsgálatok során fenyő, tölgy és akác légszáraz (~10–12%) anyagokat forgácsoltunk el. A gyakorlatban racionálisan is már por-forgács halmazállapotú alapanyagokat alkalmaznak pellet előállítására. Az így keletkezett por-forgácsot rezgő szitasorozattal különböző méretű frakciókra osztottuk fel. Fontos volt ismerni a gyakorlatban pelletálásra kerülő frakcióméreteket, hiszen a méréseket is gyakorlat centrikusan hajtottuk végre. Ennek érdekében mintát vettünk a kísérleti pelletálónk utánaprítási frakcióiból, amiket szintén szitasorozattal osztályoztunk. A fentiekkel összefüggésben tehát különböző fafajokon, különböző frakció-összetétel és hőmérséklet viszonyok, valamint mérési paraméterek mellett vizsgáljuk a tömörödést. Ezen mérések és a kiértékelések jelenleg is folynak. Összefoglalás Az alapkutatás fő célja energetikai vonatkozásban az, hogy a különböző mérési paraméterek (fafaj, nyomás, szemcseméret, terhelési sebesség, nedvességtartalom, hőmérséklet, stb.) mellett vizsgáljuk az előállított pellet tulajdonságait és találjunk olyan optimális paramétereket (alapanyag tulajdonsággal és technológiai paraméterekkel összefüggésben), melyek lehetővé teszik a pellet előállítása során felhasznált energia optimalizálását a minőség megtartása, esetleges fokozása mellett. Meg kívánjuk határozni azokat a befolyásoló paramétereket/tényezőket, melyek kedvezőtlenül hatnak a pellet tulajdonságaira. A por-forgács halmazok tömörödésével összefüggő hazai és külföldi szakirodalmak hiányosak, ezért jelen kutatásainkkal jelentősen hozzá kívánunk járulni mind az elmélet (a por-forgács halmazok tömörödésével összefüggő mechanikai modellek, törvényszerűségek megfogalmazása), mind pedig a gyakorlat (a pelletgyártási technológiák energiafelhasználásának racionalizálása tekintettel a minőségi követelményekre) hasznára. „Ez a tanulmány a Környezettudatos energia hatékony épület című TÁMOP 4.2.2.A 11/1/KONV-2012-0068 számú projekt keretében, az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg.” Az alábbi kapcsolódó előadás-anyagokat is olvashatja portálunkon a “Faenergetika napjainkban” konferenciáról: - Dendromassza hosszútávú biztosítása gyorsan növő fafajokkal – ELOLVASOM >>> - A hazai faenergetikai potenciál elemzése – ELOLVASOM >>> - Az energetikai ültetvények fajtaválasztéka – ELOLVASOM >>> - A fásszárú energiaültetvények létesítésének termőhelyi és technológiai kérdései – ELOLVASOM >>> - A fatüzelés energetikai és környezetvédelmi összefüggései - ELOLVASOM >>> (Erdő-Mező Online - www.erdo-mezo.hu)