Пресоване тверде біопаливо.

Цей розділ призначений систематизувати уявлення про те, що та для чого потрібно аби виробити біопаливо.

На загал, задля виробництва твердого пресованого палива потрібно мати дрібну сировину або вихідну сировину подрібнити, залежно від її стану, в одну, дві або більше операцій. Висушити (або й зволожити) до технологічно потрібної вологості. Спресувати, попередньо створивши умови, необхідні для виділення лігніну під час пресування, утримати під тиском протягом часу, достатнього для наступного скріплення часток сировини. Витримати, максимально виключаючи механічне пошкодження свіже сформованих гранул або брикетів під час їх охолодження задля придбання ними міцності отриманих форм. Міцність палива забезпечується за рахунок полімеризації лігніну під час охолодження спресованої маси. Лігнін природно присутній в рослинах.

Отримання якісного палива забезпечується виконанням усіх без виключення визначених вище умов. Дотичне кількісне значення кожного з параметрів процесу може різнитися, але всі вони мають бути присутніми. Сила стискання сировини може бути більшою або меншою, вологість сировини та її температура під час виконання процесу можуть в різних умовах відрізнятися та з тим під час процесу виготовлення палива вони завжди лишаються факторами вивільнення лігніну, що забезпечує процес скріплення сировини під час і після пресування. Можуть відрізнятися час витримки сировини під тиском та час, потрібний для охолодження. Ці параметри є похідними від попередніх та загальне балансування параметрів процесу їх співвідношення формують оптимальність процесу, його собівартість та якість палива.

Виділення лігніну залежить від температури сировини, її вологості та сили стискання під час пресування. При цілком сухій деревині, щоби виділився лігнін, її треба прогріти до температури 1500, а при вологості 50-80% достатньо і 50-600 вище 00. Суттєво, що релаксація деревини, яка допоміжна виділенню лігніну, потребує тим більшої температури, чим менша вологість сировини.

Технологія виробництва утворює одне чи декілька умов оптимізації процесу. Втім, найкращі технологічні умови процесу ті, які дозволяють отримати високу якість палива за умови мінімальних енерговитрат. Та технологічні умови можуть обмежуватись технічними можливостями обладнання.

Найпростіше сировину стиснути, не опікуючись вологістю чи нагріванням. Тоді по сухій сировині потрібне буде надзусилля, тобто, міцніший ніж зазвичай прес. Або з меншим зусиллям стискати вологу сировину, тоді лігнін виділиться, але це не забезпечує міцність брикету внаслідок розрідження лігніну водою. Бажаного ефекту можливо отримати нагріванням сировини, але має значення засіб нагріву: чи то завдяки теплу ззовні, чи в наслідок тертю та стисненню як побічних факторів, супутніх інших технологічних цілей. В подальшому під час аналізу різновидів пресувального обладнання ми підкреслимо різницю між методами досягнення потрібних результатів. Зараз же вкажемо що тертя та стиснення розігріває майже кожну часточку маси, а при зовнішньому розігріві теплу ще потрібно подолати шлях від зовнішніх часток, що безпосередньо сприймають тепло, до внутрішніх за розташуванням в загальній масі сировини часток, з якими для передавання тепла потрібен безпосередній контакт без якого передавання тепла затруджене бо і зазвичай і нашому випадку рихла сировинна маса має тепло ізолюючи здібності.

Стиснути, спресувати можливо, майже без перебільшення, все, але солому, попередньо стиснуту пресом під час її підбору з ниви до щільності 70г в дм3, ще спресовують до щільності 1400г, тобто ще в 20 разів. Тирсу із деревини в середньому ущільнюють в 10-11 разів. Як наслідок, для дуже значного ущільнення соломи від її первісного стану потрібна машина зі значними габаритами, що дозволяє оперувати з рихлою масою, внаслідок чого така машина важка та вимагає значного енергозабезпечення. Машина задля пресування більш щильної тирси, відповідно, менша за габаритами та енергоекономічніша. Втім, створення різних машин для різної сировини є надзатратним шляхом, який в даному випадку, як і зазвичай, не використовується. Питання вирішується шляхом уніфікації сировини, що подається на пресування. Тоді і обладнання стає уніфікованим майже до всього різновиду сировини для твердого біопалива.

Подрібнення сировини

Більш суттєве значення має розмір часток сировини, яка подається на ущільнення. Загальний вектор при цьому – чим дрібніші частки сировини, тим краще, але і тут існують обмеження, які дозволяються можливостями обладнання. При цьому, щоменьше залишиться зазорів межи часток у спресованому матеріалі, тим не тільки міцніше буде пресоване паливо, але і буде вищою його теплоутворююча здібність. Брикет чи пеллета будуть тим міцніше, чим їх новостворена структура більше відповідатиме умові щільного з’єднання часток сировини по більшій питомій поверхні і з більшим числом сусідніх часток.

Вище перераховані п’ять умов для отримання нових форм з попередньо підготовленої сировини.

Поперше, потрібен лігнін. Його можливо отримати просто під тиском, під величезним тиском, або меншим, якщо використовувати каталізатори, якими є зволоження та нагрівання сировини. Зазвичай використовують сукупність умов. Успіх або оптимальність процесу пресування біопалива складається із похідних оптимальності щонайменше п’яти факторів в їх сукупності та забезпечує економічність процесу виробництва.

На сучасному рівні розвитку технології та обладнання для виробництва біопалива існує консенсусна, з присмаком компромісу, згода серед виробників, що прийнятну якість брикетів забезпечує сировина, подрібнена до фракції 2-7мм, а під час виробництва пеллет – фракція має бути в межах 0,5-0,8 діаметру каналу матриці. Стосовно діючого в країнах Євросоюзу стандарту EN, за яким пеллета повинна мати номінальний розмір 6мм, то розмір фракції відповідно – 3-4,8мм.

Зважаючи на різницю об’ємів між непресованою та пресованою сировиною, маємо усвідомлювати, що задля ущильненя сировини пуансону пресу потрібно переміщення майже в 20 разів більше, ніж довжина отриманого за один хід млинця брикету із соломи чи майже в 11 разів більше при пресуванні млинця із тирси. В даному випадку мова йде про пресування, як більш наглядне, хоча під час виробництва пеллетів процес дуже подібний. Частки сировини за кожним ходом зближуються до досягнення контакту між собою та стискаються. Під час цього із сировини вивільнюється лігнін, який повинен скріпити частки між собою та тимчасово не може цього зробити, бо ще не почалася полімеризація лігніну та й частки сировини ще перебувають у стані пружності, який передує настанню стану пластичної деформації матеріалу. Пружна реакція зорієнтована за усіма доступними сировині напрямками, в тому числі і на стінки каналу пресу, формуючи тим силу тертя-ковзання. Зворотній хід пуансону припиняє стискання млинця сировини, в наслідок чого сировина дещо розтискається в доступних для неї напрямках, саме в напрямках вздовж брикету. Наступними рухами прес компенсує це розтискання, але не повністю. Пружні сили майже повністю зв’язуються лігніном, який в решті решт скріплює частки сировини. Але і під час настання такого стану, силовий контакт між стиснутою сировиною та стінками каналу, формуючого брикет, залишається. Брикетна заготівка щільно сидить в каналі за рахунок придбаного розміру та до того всередині заготівки на цю мить вже діють зусилля стиснутого пару, який вивільняється під час припинення тиску на сировину, спричиненого пуансоном. Волога, яка присутня в сировині, під дією температури перейде в пару, що раніше в умовах тиску було неможливим і створить додатковий тиск заготівки на стінки каналу.

Із викладеного випливає не тільки те, що прес має розвивати зусилля більші, ніж зусилля спротиву просуванню брикету каналом, але й те, що якби частки сировини були б дрібнішими, то реакція їх на стискання була б меншою та скріплення часток відбувалося б легше, бо відбувалося б з більшою кількістю більш дрібних часток в різних напрямках та по більшій площині.

Вказані вище розміри часток сировини, які вважаються визнаними та рекомендованими громадами спеціалістів Німеччини та Євросоюзу, скоріш за все емпірично пов’язані з можливостями обладнання, які це обладнання забезпечує. Забезпечує хай і не оптимальну, з точки зору економічності процесу, але рівновагу, яка дозволяє досить прибутково існувати бізнесу з виробництва біопалива. Зменшення фракційності сировини зменшує й навантаження на обладнання, підвищуючи його продуктивність, що в свою чергу підвищує конкурентні переваги користувачам більш досконалих та прилаштованих дробарок і тим, хто використовує нестандартно дрібну сировину. Технічні рішення, що використовують підприємці, – це їх особисті рішення, співвіднесені з можливостями, але володіти знанням, що можливе і краще облаштування виробництва, не завадить тому, хто працює задля прибутку.

Перевищення рекомендованого розміру подрібнених часток сировини має наслідком суттєве зниження продуктивності обладнання і ефективності палива за рахунок пов’язаних і більш низьких характеристик палива – його щільності та здібності утворювати тепло. Як наслідок – процес з прибуткового може перетворитися на збитковий, за умов якого така підприємницька діяльність стає недоцільною.

Безумовно, можливе створення агрегатів з більш високими силовими характеристиками, що надасть їм здатність пресувати сировину більшої фракції, але це не завжди доцільно.

Пресування дрібнішої сировини навпроти підвищує виробничу потужність обладнання та якість палива, але до недавно ще не використовувалось відповідне обладнання з подрібнення, бо не існувало напрацювань, які б підтверджували раціональність роботи з такою сировиною.

Вологість

Встановлено, що вологість сировини задля пресування – важливий чинник і має бути в діапазоні 7-12% за відносною шкалою вологості. При вологості меншій, ніж 7%, паливо формується, але не скріплюється та по виході з філь’єри його форма руйнується. При вологості більшій, ніж 12%, на поверхні сформованого палива з’являється тріщина, розташована вздовж паливної заготівки. Навіть невеличка тріщина суттєво погіршує умови згоряння палива, впливаючи на фізичні умови процесу горіння. Перевищення вологості внаслідок технологічного нагрівання сировини утворює умови для перетворення вологи в пару, але на процес пароутворення впливає високий тиск, який виникає в спресованій масі. Відомо, що пароутворення залежить від тиску і чим він вищий, тим при більшій температурі відбувається поява пару. За технологічними умовами, пара з’являється лише тоді, коли маса виштовхується із філь’єри і в наслідок цього зменшуються сили, що утримували масу у стиснутому стані, сили пружності в ній розтискають масу, відповідно тиск знижується, а пара, вивільняючись, додатково розпирає заготівку. Якщо об’єм вологи більший 12%, пара, вивільняючись, рушить поверхню брикетів чи пеллет, утворюючи тріщину вздовж осі заготівки. Така тріщина вздовж заготівки стовідсотково спричиняється технологічною надвологістю сировини.

Якщо паливо, спресоване з надвологої сировини, деякий час утримати в каналі, тріщина не утвориться, паливо придбає гарний товарний вид, але все ж залишиться вологим, що вплине на теплоутворення такого палива, яке стане нижчим та вплине на зберігання його, бо легше руйнується за рахунок додаткового зволоження від повітряної вологи або стаючи середою для розвитку плісняви. Наведене є загальновідомим та сприймається фахівцями як постулат чи аксіома.

Але існують і деякі виключення: якщо є можливість отримати сировину, подрібнену до фракції 0,1-2мм та вміст цієї дрібної фракції значно більший, ніж крупнішої, то, як з’ясувалося, можливо отримати цілком пристойне по якості пресоване паливо із сировини вологістю 15-16%, якому не приналежні традиційні вади, спричинені надвологою сировиною. Ми маємо цілком ґрунтовне (як на наш погляд) пояснення наведеного явища, та в наслідок складності його (запобігаючи відволіканню уваги від практичної користі явища) пропонуємо сприйняти наведене твердження як доказане практикою, тим паче, що про це є і публікації в наукових працях і наші спостереження що підтверджують це. Використання мікроподрібненої сировини дозволяє компенсувати втрату теплоутворення, пов’язану з завищеною вологістю та надає альтернативу більш глибокому висушуванню сировини та і взагалі дозволяє поєднувати операції сушіння і подрібнення, відмовившись від окремої сушарки. Тобто, можливо користуватися механізмом кінетичної сушарки, що поєднує сушіння із подрібненням. Вологість сировини безпосередньо пов’язана з її подрібненням. Так, подрібнення соломи при використанні ножових дробарок припиняється при вологості сировини 30-35%. Волога солома залипає на ножах. Та якщо на ножовій дробарці встановлений класифікатор з меншими отворами, то подрібнення припиняється і за меншої вологості. Той же недолік мають і молоткові дробарки. Подрібнення біосировини в дробарках – дезінтеграторах можливе й в умовах надвисокої вологості і вихідна сировина при цьому підсушується. Для отримання потрібного, процес має відбуватися керовано. З часом ми надамо відеозвіт з сушіння кролячого посліду здобутого з ферми гідрозмивом.

Розглядаючи питання вологості сировини слід враховувати, що сировина може бути не тільки занадто волога, але й суха. Тож виникає потреба зі зволоження сировини. Але волога сировина більш розповсюджена та її переробка відрізняється енергоємним і складним процесом, який може привести аж до згортання попередньо добре налагодженого бізнесу.

Так, підприємство, з яким довелося співпрацювати, втратило постачальника тирси. Новий постачальник запропонував постачання тріски дешевої, але вологої, бо накопичувалася вона на відкритій місцевості безпосередньо на ґрунті. У покупця була барабанна сушарка, на яку він розраховував, щоби доводити сировину до технологічних параметрів. Разом з тим, саме сушіння стало суттєвою перепоною, бо з’ясувалося, що майже 60% тріски доводилося витрачати в якості палива для сушіння залишкових 40% тріски, що використовували на виробництво пресованого палива. До того ж подрібнювати вологу тріску виявилася неспроможною навіть декова молоткова дробарка, спеціально придбана для цього. Довелося поміняти послідовність операцій: спочатку піддавати тріску сушінню, а потім відправляти на дробарку, що великою мірою і стало причиною значних витрат на підготовку сировини для її переробляння. Рішення виявилося занадто дороговартісним та врешті решт призвело до виходу цього виробника з ринку виробництва біопалива.

Пресування сировини

Процес пресування, за винятком більш спрощеного при використанні обладнання RUF, є досить складним багатофакторним процесом, в якому мають значення фізичні властивості сировини, її хімічний склад та співвідношення складових в ній, умови її релаксації, температура процесу, вологість сировини, циклограма навантажень під час стискання сировини, сили стискання, коефіцієнти та сили тертя та інше.

Із використовуваного обладнання, пресування «в упор» відбувається тільки в пресах RUF. Усі інші машини пресують «на прохід». У філь’єрах грануляторів, каналах ударних та шнекових пресів під час пресування маса спирається на сили спротиву, які опираються проштовхуванню сировини крізь технологічні отвори. Спротив виникає між частками сировини та між тими ж частками та каналами проштовхування.

Саме сили тертя, створюючи супротив проштовхуванню сировини, забезпечують умови стискання матеріалу, ущільнювання його. Пружній спротив силі, що проштовхує сировину, створює умови силового впливу на стінки філь’єр або каналів, створює силу опору проштовхуванню маси, формуючи віртуальний «упор», але реальною поверхнею опору є стінки каналу. Зусилля пресування має бути вищим за зусилля спротиву, щоби подолати той опір. Сила тертя залежить від коефіцієнту тертя матеріалу каналу, яким проштовхується сировина, виду і коефіцієнту тертя пресуємого матеріалу та розміру його фракції, вологості матеріалу, довжини каналу подібно гідравлічному спротиву переміщенню рідини і температурі процесу, швидкості, частотній характеристиці просування та інших факторів. Наслідком цього є, щонайменше, розуміння того, що зміна сировини або стану внутрішньої поверхні каналів потребує зміни налаштувань процесу.

Іноді вузли пресування обладнані устроями, які дозволяють впливати на режим пресування. Дехто встановлює цангові пристрої, аби мати можливість збільшувати або зменшувати супротив просуванню матеріалу. Доречи, такі пристрої мають низьку зручність під час використання, але загалом можуть бути доцільними як альтернативний засіб переробляння постійних параметрів каналів пресування. Якість палива залежить від форми каналів в їх продовжньому та поперековому перерізі, співвідношення поперекового перерізу та довжини каналу. Має значення також рух часток сировини всередині каналу, наявність зсуву матеріалу під час пресування, який забезпечується конструктивно. За можливості в каналах облаштовуються конічні ділянки. При цьому, чим м’якший матеріал для пресування, тим потрібен більший кут конусу і навпаки. Кут конусу ділянки змінюється при зміні матеріалу або його характеристик.

Підбір параметрів пресування та оптимізація процесу потребують професійних знань та кваліфікації виконавця.

Фіксація форми

Вище ми зупинялися на особливостях підготовки матеріалу для виготовлення з нього біопалива (йдеться про подрібнення та регулювання вологості сировини), розглядали процес надання форми майбутньому біопаливу (йшлося про умови пресування), а зараз торкнемося умов, потрібних, щоби надана форма зафіксувалася та отримала бажану стійкість палива.

Під час підбору оптимальної конфігурації каналу пресування використовується методика покрокового налаштування процесу. Так, для уточнення параметрів конічної зони або вставки виконується налаштувальне пресування для підбору кута конічної втулки, який залежить від фізичних показників міцності сировини. Виконується воно крізь конічну втулку без її циліндричного продовження. Сформована заготівка, після виходу із втулки, має щильну структуру та високу питому вагу, яка дотична питомій вазі готового палива, але низьку міцність форми. Якщо залишити на деякий час стиснуту масу в конусі, або, що теж саме, в наступній циліндричній частині, маса стає міцнішою, придатною для подальшого просування згідно з наступними технологічними налаштуваннями. Тобто, якісний процес має створити умови для витримки заготівки. При цьому циліндрична частина теж має значення. Коротка не дає можливості зміцнитися заготівці, а довга може створити супротив аж до неможливості просування спресованої сировини. Положення покращується, якщо за таких умов зменшити кут конусної частини каналу.

Підбір довжини каналу, що застосовується для використовуваних обладнання та матеріалу, є важливою штучною операцією, що дозволяє оптимізувати процес виробляння біопалива. Під час виробництва пеллет довжина каналу філь’єри, точніше, співвідношення розтинів площі каналу до його довжини, впливає не тільки на якість пеллет, але й на саму можливість отримання їх з наданого матеріалу на наданому обладнанні. Довжиною каналу можливо отримати як довгу заготівку, так і, наприклад, брикети у вигляді дисків (млинців), що доцільно для використання в автоматизованих брикетних котлах промислового призначення.

Охолодження для скріплення

Спресована та розігріта під час пресування маса досягає своєї максимальної міцності за рахунок полімеризації природного полімеру лігніну, який присутній в більшій або меншій мірі в рослинній сировині. Практично задля полімеризації лігнін повинен охолонути разом зі спресованою масою

Гранулятори, що використовуються для виготовлення пеллет, оснащуються спеціальними охолоджувачами, які за допомогою спрямованого повітряного потоку знижують температуру пеллет, чим підвищують їх міцність.

Преси для виготовлення брикетів оснащуються направляючими, при переміщенні якими брикетна заготівка охолоджується або за рахунок довжини направляючих, або за рахунок примусового обдування.

Процес отримання та використання пилоподібного палива.

Дроблення матеріалів взагалі є окремою технічною дисципліною та виконується різними засобами за допомогою різних механізмів на загал добре відомих. Проте, для виробляння біопалива виявилось перспективним використання дезінтеграторів – високо енергетичних дробарок, яким належні деякі неочікувані, але корисні, стосовно біопалива, властивості.

Дроблення сировини в дезінтеграторі дозволяє отримувати наддрібну фракцію за менших витрат електричної енергії, яка потрібна для приводу механізму, порівняно з дробарками інших типів. Звичайно, що фізичні закони під час подрібнення не порушуються, але енергія, яка подається дезінтегратору, використовується з більшим коефіцієнтом корисної дії. Устрій та робочі параметри дезінтегратора, на відміну від більшості відомих дробарок, дозволяють ефективно використовувати кінетичну енергію обертання робочих дисків, створюють умови накопичення та кумулятивного вивільнення енергії оброблюваного матеріалу внаслідок високошвидкісного впливу на цей матеріал.

Принцип дії дезінтегратора криється в багаторазовому силовому високошвидкісному впливу на частки руйнуємого матеріалу. Вплив має імпульсний характер, що відтворюється множино протягом часу, значно меншому за секунду, зі швидкістю від 60 до 200 метрів за секунду сукупно: ударами по часткам матеріалу, тертям цих часток між собою та з робочими органами машини. Внаслідок процесу в матеріалі виникають внутрішні сили, які сукупно з зовнішніми здатні викликати резонансне вибухоподібне руйнування його на відміну від дробарок інших типів, де подрібнення відбувається за рахунок інших механізмів впливу.

Деякі дослідники, що переймались обґрунтуванням процесів подрібнення сировини в дезінтеграторах, вбачають також активізацію біологічної сировини, яка проявляється прискоренням та активізацією реакцій обробленої речовини з довкіллям взагалі та зокрема процесом окислення. Щодо енергоспоживання відомо, що для отримання борошна з деревини класичними засобами витрачається в 10 разів більше електроенергії, ніж якщо ту ж кількість того ж борошна виробити в дезінтеграторі. І відбувається так не зважаючи на те, що на роботу дезінтегратора без сировини витрачається вже до 65% споживаємої ним енергії. В деяких монографіях наводять витрати електроенергії на виробництво однієї тони борошна із деревини, які дорівнюють 1000-1200 кВт в тей час, як при використанні дезінтегратора для досягнення того ж результату потрібно близько 100 кВт.

Для дезінтеграції рослинної сировини остання, ще до подавання до дезінтегратору, повинна бути попередньо подрібнена до технологічно оптимального рівня, який не має суттєво перевищувати половину проміжку між сусідніми битками перших рядків робочих дисків машини. Це потрібно для запобігання непродуктивному використанню кінетичної енергії, яка забезпечує важливу перевагу дезінтегратора перед іншими видами дробарок. Подальший процес подрібнення відбувається згідно з наведеним описом та супроводжується інтенсивним сушінням матеріалу. Початкова та результуюча вологість сировини взаємозалежні, підбираються емпіричним шляхом та, за необхідності, процес може бути керованим в досить широкому діапазоні засобами, розробленими та апробованими нашими спеціалістами.

Подрібнена до стану пилу сировина, в досить потужному потоці повітря, виходить з дезінтегратору та може бути спрямована безпосередньо до камери згоряння теплогенератору. При цьому швидкість повітряно-паливної струї, її насиченість паливом або кількість повітря можуть бути відрегульовані за допомогою пристроїв, якими оснащено дезінтегратор. Це якщо паливо подрібнюється безпосередньо поряд із теплогенератором. Якщо пиловидне паливо поставляється користувачу вже подрібненим, то для його використання останньому буде потрібне оснащення для створення регульованої повітряно-паливної струї. Таким обладнанням може слугувати потужні вентилятори імпелерного типу.

Дезінтегратор, призначений для виконання функції подрібнювача із функцією нагнітання або подрібнювача-навантажувача тари, розроблений нами та може бути виготовленим та поставленим споживачеві на замовлення.