При рассмотрении процесса горения твердого биотоплива несомненным представляется вывод о том, что чем выше плотность топлива, тем выше его теплотворная способность. В пределе можно представить каменный уголь как цель переработки растительного сырья. Пускай, эта цель недостижима, но общее направление подтверждает указанный выше вывод.
Достижение высокой плотности тем проще, чем меньшей фракции сырье подвергается прессованию.
Измельчение материалов является отдельной технической дисциплиной, осуществляется различными способами при помощи различных устройств. В рамках производства биотоплива перспективным, в силу ряда неожиданных эффектов, создаваемых применяемыми механизмами, является измельчение сырья в дезинтеграторах.
Дезинтегратор является достаточно известным устройством для дробления как мягких, так и твердых материалов. Дезинтеграторы обладают рядом достоинств, которые поставили их в ряд механизмов, полезных для дробления растительного сырья с последующим преобразованием его в биотопливо.
Процесс дробления сырья в дезинтеграторах по энергоэффективности выходит за рамки хорошо изученных и описанных процессов и не может быть объяснен традиционными расчетами исходя из которых результат дробления не может быть обеспечен такими как в дезинтеграторе затратами энергии, предполагая значительно большее ее потребление.
Принцип действия дезинтегратора заключается в многократном высокоэнергетичном воздействии на измельчаемый материал. Воздействие имеет импульсный характер и осуществляется со скоростью от 60 до 200 м/сек, совмещая удар с трением частиц о рабочие органы машины. Создаются высокие сдвиговые усилия, разрушающие материал.
Ряд исследователей, изучавших процесс измельчения сырья в дезинтеграторе, усматривают активизацию биологического сырья, проявляющуюся в облегчении ряда реакций с окружающей средой, в том числе и реакции окисления, но главным является то, что если измерить энергопотребность на сравнимое измельчение материала в обычной мельнице и дезинтеграторе, энергопотребление последнего меньше в разы. И это при том, что на работу дезинтегратора в холостом режиме уходит до 60 – 65% мощности привода. Это заставляет искать причины столь высокой энергоэффективности дезинтеграторов.
Известно и подтверждено многократными инструментальными замерами, физическими проявлениями, что влажность растительного сырья на выходе из дезинтегратора в среднем в 2 – 2,5 раза ниже, чем на входе. При этом, чем меньше фракция частицы, тем она суше. Пылевидные частицы с размером 70 – 100 мкм практически сухие. Более крупные частицы обладают более высокой влажностью, а указанные 2 – 2,5 раза касаются смеси и измерялись непосредственно после дробления. После некоторого вылеживания смеси общая влажность еще уменьшается.
Такое высушивание материала требует объяснения, вследствие необыденности эффекта высушивания.
Очевидно, что высушивание происходит под воздействием нескольких факторов.
Безусловно эффект испарения существует и даже документируется, но он не является преобладающим в данном случае.
Основная часть влаги удаляется за счет тех же сил, которые действуют в центрифуге. Под воздействием ускорения приложенного к измельчаемой частице более тяжелая вода перемещается дальше, чем частица растения, тем более что частица растения уменьшается и уже не может удерживать на себе столько же влаги как до удара. Происходит «кинетический» съем влаги.
В процессе измельчения частиц происходит образование новых поверхностей, разрушение капилляров, удерживающих влагу, а очередные воздействия на частицы продолжают и углубляют процесс съема ее.
Из центрифуг выделенная влага удаляется, через перфорированные поверхности, а в дезинтеграторе процесс удаления влаги происходит сложнее.
Известно, что воздушно – массовый поток, выходящий из дезинтегратора, имеет повышенную температуру. Ее величина недостаточна для испарения влаги. Вместе с тем имеются основания считать, что в дезинтеграторе происходят вихревые явления вызывающие разделение потоков воздуха, известные как эффект Ранка.
Под воздействием вращающихся с высокой скоростью рабочих органов дезинтегратора создается воздушный поток, на который воздействует встречный поток сравнимой интенсивности. Вокруг пальцев дезинтегратора и в зоне возле них возникают многочисленные завихрения. Сопряженные с импульсным изменением давлений и направления потоков в локальных объемах при высокой скорости изменений. В такой механически создаваемой и поддерживаемой зоне турбулентности перемещаются измельчаемые частицы.
Согласно эффекту Ранка при завихрениях происходит разделение воздушных потоков на холодные и горячие. Известно, что в вихревых охладителях, используемых в технике, (несмотря на отсутствие теоретического объяснения эффекта) получают температуру охлажденной струи ниже -40 градусов Цельсия, а горячие струи около +200. Очевидно, следует считать, что вода в таких потоках уже не может оседать на частицах материала и не оседает фактически.
При этом энергопотребление такой сушилки аномально мало. При выполнении общепризнанных расчетов энергопотребление должно быть значительно выше.
В некоторых монографиях затраты на получение 1 тонны древесной муки без учета энергозатрат на предварительную сушку составляет 1000 – 1200 квт/час. В случае применения дезинтегратора тот же результат можно получить, затратив менее 100 кВт/час и без предварительной сушки.
Степень высушивания сырья в дезинтеграторах поддается некоторой регулировке. Для этого могут быть применены частотные регуляторы, позволяющие плавно регулировать скорость вращения рабочих органов и время нахождения «облака» частиц в зоне воздействия. Границы такого регулирования определяются работоспособностью подшипников, на которые опираются рабочие органы дезинтегратора.
При рассмотрении процесса измельчения и кинетической сушки невозможно уклониться от объяснения еще одной стороны эффекта.
Как указывалось, в дезинтеграторе затрачивается значительно меньше электроэнергии, чем при выполнении той же работы, но другими средствами. Это касается не только процесса сушки, но и процесса измельчения частиц.
Достаточно молодой раздел науки механохимии использует понятия двух физических процессов, возбуждающих реакции в твердых телах. Это деформация (в данном случае волокон) и их излом. В ходе этих процессов выделяется тепло, возникают сдвиговые напряжения, сопровождаемые локальным подъемом температуры и давления, разрывающих химические связи и формирующих частицы с повышенной активностью.
Большинство исследователей считают, что в результате импульсного воздействия на измельчаемый материал в его частицах создается внутреннее напряжение вследствие упругих деформаций, которое при накоплении некоторой критической величины приводит к взрывному разрушению частиц. Подобные выводы подтверждаются и расчетами, которые не приводятся здесь только в связи с информационным назначением настоящих заметок.
По всей вероятности локальное изменение температуры (упоминавшееся ранее) может приводить и к паровому взрыву частиц, что также работает на измельчение и на удаление влаги.
Очень кратко приведенные теоретические объяснения происходящего процесса, являются попыткой обоснования удивительного, но объективно существующего явления, использование которого позволяет улучшить качество твердого биотоплива, также экономичность и устойчивость процесса его изготовления.