Для получения твердого биотоплива исходный материал необходимо:

  • сжать;

  • создать условия для выделения лигнина;

  • удержать в сжатом состоянии до достижения достаточного скрепления частиц топлива в брикете или пеллете;

  • выдержать и остудить для завершения процесса достижения максимальной прочности.

Связующим, обеспечивающим формирование биотоплива, является лигнин, присутствующий в растениях.

Для успешности процесса необходимо выполнить все условия указанные выше. Варианты возможны, но это количественные варианты: усилие сжатия может быть большим или меньшим, влажность и температура сырья – как факторы выделения лигнина, могут различаться, время выдержки зависит от предшествующих факторов и т. д. Имеют место и другие нюансы, но, указанные факторы определяют процесс, а соотношение их определяет его оптимальность с точки зрения качества продукции и себестоимости процесса производства.

Выделение лигнина зависит от температуры сырья, его влажности и величины создаваемого давления.

При абсолютно сухой древесине для выделения лигнина ее нужно нагреть до 150ОС, а при содержании влаги на уровне 50-80% достаточно нагревания до 60-50 ОС. Релаксация древесины, способствующая выделению лигнина, требует тем большей температуры, чем меньше влажность древесины. Технология производства реализует одно или несколько сочетаний условий процесса. Лучшая технология та, которая дает высокое качество продукции, при оптимальных затратах. Возможности технологии ограничиваются возможностями оборудования.

Сырье можно просто сжать. При этом усилие сжатия для влажного материала ниже, чем для сухого. Лигнин выделится, но сжимаемые частицы не скрепит, так как будет разбавлен выделяющейся влагой.

Теоретически сжать можно любой исходный материал. Например, солому необходимо сжать от 70 г/дм3 до 1400 г/дм3, т.е. в 20 раз. Древесные опилки в 9-11 раз. Машины для выполнения сжатия соломы будут иметь более значительные габариты и усилия, чем для древесных опилок, а, следовательно, пресс для каждого вида сырья должен иметь индивидуальные свойства, что нерационально.

Вопрос решается путем унификации исходного материала посредством его дробления. Тогда оборудование для сжатия становится универсальным для любого вида сырья.

Имеют значение размеры частиц, подвергающихся сжатию. Общая закономерность – чем мельче, тем лучше, но и здесь все ограничивается возможностями оборудования.

Брикет или пеллета будут тем прочее, чем с большим количеством частиц и по большей площади пройдет соединение каждой из них. При этом чем меньше зазоров будет между частицами, тем выше не только прочность и теплотворная способность топлива, но и тем меньшее усилие необходимо для получения прочного топлива.

В сложившейся современной технологии исходное сырье должно быть:

  1. Измельчено.

  2. Иметь заданную влажность.

  3. Сжато в условиях выделения лигнина.

  4. Удержано в сжатом состоянии до устойчивого сохранения формы.

  5. Остужено для получения максимальной прочности.

Для скрепления дробленой массы в брикет или пеллету необходимо выделить из нее лигнин.

Лигнин можно выделить на поверхность частиц при значительном усилии. Катализаторами выделения лигнина, облегчающим его выделение, служат нагрев и увлажнение. На практике при выделении лигнина создается совокупность условий.

Успех технологии производства биотоплива определяется степенью оптимальности сочетания пяти основных факторов процесса, что обеспечивает оптимальность по себестоимости и качеству продукции.

Измельчение

На современном уровне развития технологии и оборудования производства биотоплива принято считать, что приемлемый по качеству брикет получают из сырья фракцией 2-7 мм. При производстве пеллет фракция не должна превышать 0,5–0,8 диаметра канала прессования в матрице. При действующем EN, определяющим диаметр пеллеты в 6 ± 1 мм, фракция сырья должна быть не более 3-4,8 мм.

При превышении указанных параметров в разы снижается производительность оборудования и существенно снижается плотность и теплотворная способность топлива. Процесс производства из прибыльного превращается в неприбыльный и нецелесообразный.

Безусловно, может быть оборудование, позволяющее вести процесс и с более крупным материалом. Для этого прессующее оборудование должно обладать более высокими характеристиками, что не всегда оправдано с точки зрения экономичности процесса и стоимости оборудования.

При использовании мелкоизмельченного сырья напротив, повышаются и производительность стандартного оборудования, и качество биотоплива. Вместе с тем углубление измельчения ограничивается как техническими возможностями, так и затратами.

Задача инжиниринга на основе функционально-стоимостного анализа организовать технологический процесс производства в оптимальной зоне, обеспечить высокое качество продукта при оптимальной себестоимости.

Влажность

Установлено, что влажность прессуемого сырья должна быть в диапазоне 7-12%. При снижении влажности ниже нижнего предела на применяемом оборудовании биотопливо формируется, но не скрепляется. По выходу из канала прессования брикеты (пеллеты) рассыпаются. При работе в нижней части диапазона требуются более значительные усилия при прессовании. Оборудование нагружается на полную мощность, что приводит к возрастанию энергопотребления.

При превышении влажности, в спрессованном топливе вследствие технологического нагрева, образуется пар в количестве достаточном для того, чтобы выходя под давлением из спрессованной массы вспучить ее или образовать трещины. Даже при незначительных проявлениях трещинообразования на поверхности топлива, условия сгорания его изменяются, а характеристики ухудшаются.

Если переувлажненное спрессованное сырье на несколько минут оставить в канале, набухание и трещинообразование не происходят, а топливо приобретает хороший товарный вид.

При этом теплотворность переувлажненного топлива снижается на величину энергозатрат тепла на испарение влаги при нагреве топлива в процессе сгорания.

При использовании микроизмельченного сырья влажность массы подвергающейся прессованию может достигать 15-16% без ущерба для качества топлива.

Влажность сырья оказывает влияние на измельчение. Так, при измельчении соломы используются мельницы ножевого типа, которые становятся неработоспособными при влажности соломы приближающейся к 30%-35%. Солома залипает на ножах, процесс останавливается. При этом такие соломорезки не справляются с сырьем и меньшей влажности, при установке на них классификаторов с меньшими отверстиями.

Тот же недостаток проявляется у молотковых дробилок при налипании на молотках влажного сырья.

Рассматривая вопрос влажности, приходится учитывать, что исходное сырье может быть не только переувлажненным, но и пересушенным, тогда сырье увлажняется.

Чаще возникает необходимость сушки сырья, что является энергоемким и достаточно сложным процессом.

Влажность сырья зависит от многих факторов и может быть естественной и приобретенной. Технология сушки зависит от видов сырья, характера увлажнения (поверхностный, капиллярный, …) содержания влаги, видов сушильного оборудования.

Влажность является важнейшим параметром, определяющим результативность производства биотоплива.

Прессование (сжатие)

Прессование, за исключением более простого случая изготовления брикетов RUF, является достаточно сложным процессом, в котором значительное место занимают силы трения.

В фильерах матрицы гранулятора, прессов шнековых и ударных, прессуемая масса оказывает сопротивление проталкиванию сквозь фильеру за счет трения частиц о стенки фильер и между собой.

Именно сила трения, создавая сопротивление продавливанию материала, обеспечивает условия для уплотнения этого материала, сжатия его. Упругое сопротивление силе сжатия, воздействуя на стенки фильеры, создает силу трения препятствующую продвижению массы и создающую опорную поверхность прессования. Усилие прессующего органа должно быть достаточным для преодоления сил сопротивления. Сила трения зависит от коэффициента трения материала фильеры, вида и коэффициента трения прессуемого материала, размера его фракции, влажности прессуемой массы, длины канала фильеры (аналогично гидравлическому сопротивлению движения жидкости), температуры процесса, скорости, частотной характеристики движения и других факторов. Из этого следует, что изменение вида сырья изменяет результаты прессования и требует изменения факторов влияния, определяющих результаты процесса.

Иногда в узлах прессования вводится возможность регулирования величины сопротивления проталкиванию материала, что повышает возможность адаптации процесса при изменении условий технологии, но часто приходится изменять и постоянные параметры рабочих органов прессования.

Качество топлива зависит от формы продольного и поперечного сечения канала прессования, соотношения длины канала и площади поперечного сечения. Имеет значение также движение частиц прессуемой массы внутри потока, наличие сдвиговых усилий внутри массы организуемых конструкций рабочих органов.

При возможности в каналах прессования устанавливаются конические участки. При этом конус имеет тем больший угол, чем более мягкий материал прессуется и подлежит изменению при изменении прессуемого материала или его характеристик.

Характеристики условий прессования подбираются индивидуально для вида прессуемого сырья, размеров фракции, влажности и многого другого, в том числе и возможностей оборудования.

Для подбора и организации параметров прессования, оптимизации их необходимы профессиональные навыки и знания.

Выдержка (фиксация)

Одна из наладочных операций брикетирующего пресса предполагает прессование массы только через коническую втулку. Это применяется для подбора параметров такой втулки для частного случая прессования. В реальном процессе к такой втулке примыкает цилиндрическая часть фильеры.

Прессование через коническую втулку дает сформировавшуюся, но очень непрочную массу. Короткая цилиндрическая часть не позволяет получить плотный брикет, а очень длинная создает сопротивление прессованию иногда превышающие усилия, создаваемые прессом.

Подбор длины это индивидуальная для данных оборудования, материала и других характеристик процесса наладочная операция, позволяющая оптимизировать процесс.

При производстве пеллет длина канала, а точнее соотношение площади сечения канала к его длине влияет не только на качество пеллеты, но и на возможность получения пеллет из тех или иных видов сырья.

Подбором длины канала можно, например, получить брикеты в виде шайб, что иногда необходимо для использования таких брикетов в автоматизированных промышленных твердотопливных котлах.

Охлаждение

Спрессованная и, как правило, разогретая масса достигает своей максимальной прочности при остывании.

Грануляторы, используемые для изготовления пеллет, оснащаются специальными охладителями, в которых создается поток воздуха, охлаждающий пеллеты.

Брикетирующие прессы оснащаются специальными направляющими длиной до 20 и более метров, перемещаясь по которым брикетная заготовка остывает, приобретая прочность.

Иногда на охладителях брикетных прессов также применяется обдув или другие способы, интенсифицирующие съем тепла.

Не всегда каждый из возможных вариантов технологии является оптимальным. Биотопливо получается, но себестоимость его не обеспечивает высокой рентабельности. Почти всегда, опираясь на понимание процесса и творческий подход положение можно улучшить, повысив рентабельность производства.