Szétválasztási technológiák a biomassza feldolgozásban: Dúsítás Dr. Gombkötő Imre Egyetemi adjunktus
ME Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet 1.Bevezetés Cikksorozatunk előző részében beszámoltunk a biomassza feldolgozásban legelterjedtebben használt osztályozási eljárásokról. Megállapítottuk, hogy a szétválasztási technológiák sora igen nagyszámú, a biomassza iparban, alkalmazásukra számos példát sorolhatunk, mint például az élelmiszeripar számára fontos növényi részek szétválasztása az arra alkalmatlan, azonban energetikai célra kiváló növényi részektől, vagy a papíripar számára értékes, könnyen rostosítható növényi részek szétválasztása a nehezen rostosítható növényi részektől. Ide sorolhatjuk példaként a magas szerves anyag tartalmú hulladékáramok feldolgozási technológiáját mechanikai - biológiai stabilizációval vagy az energetikai célú hasznosítását megelőző előkészítés esetét is[5]. Az aprítással feltárt komponensek egymástól való szétválasztása a komponensek között meglévő fizikai tulajdonságbeli eltérésen alapul. Ezeket az eljárásokat összefoglalóan dúsításnak nevezzük, mivel az adott komponenseket rájuk nézve nagy koncentrációjú termékekbe választjuk le. A dúsítás rendszerint azon az anyagtulajdonságon alapszik, amelyben az adott szemcseméretnél legnagyobb az eltérés a szétválasztandó komponensek között. A fémeket is tartalmazó anyagáramok esetében a különböző alkotóanyagok szétválasztására elsősorban a sűrűség, a mágneses és elektromos tulajdonság eltérése alapján nyílik lehetőség. Megkülönböztetünk egymástól száraz illetve nedves technológiai megoldásokat. A dúsítás száraz eljárásai elsősorban a kézi válogatás, sűrűség szerinti szétválasztás légárammal száraz áramkészülékben illetve légszérrel, a vas mágneses szeparátorokkal a nemvas-fémek leválasztása pedig elektrosztatikus vagy örvényáramú szeparátorok alkalmazásával történhet. Nedves technológia alkalmazásakor a száraz áramkészüléket és a légszért, nedves áramkészülék, ill. az ülepítőgép vagy nehézszuszpenziós készülék, finomabb anyagokra nedves szér váltja fel. 2. Válogatás A kézi válogatásnál a hatékonyság csak a nagyobb méretű (> 50 mm) anyagok eltávolításánál jelentkezik. Eszköze a kis sebességgel mozgó válogató szalag, amely mellett 1,5…1,8 m széles munkahelyeket alakítanak ki. A szalag szélessége, ha csak az egyik oldalán vannak munkahelyek legalább 0,6 m, ha mind a két oldalon akkor 1,2 m. A kiválogatott anyagokat ledobó aknán keresztül boxokba vagy konténerekbe gyűjtik. A válogatószalagot elsősorban olyan esetekben célszerű alkalmazni, ahol a feldolgozott anyagáram nagymérető értékes komponenseket, illetve kisszámú valamilyen szempontból veszélyes komponenseket tartalmaz. Fémtartalmú hulladékok esetében elsősorban a nemvasfémek - alumínium, réz, ólom -, valamint a rozsdamentes nem mágnesezhető acél egymástól való elválasztására alkalmazzák. Az üzemekben a kézi válogatást rendszerint megelőzi egy gépi méret szerinti osztályozás (szitálás), amikor is a kisméretű idegen tárgyakat szitálással eltávolítják és a haszonanyag-hulladékot fellazítják. A vas-komponensek leválasztása a kézi válogatás előtt vagy után történik a szalag feletti mágnesekkel (néhány esetben mágneses dobokkal is). Az üzemeltetők gyakran előnyben részesítik a fémeknek a kézi válogatás utáni
mágneses leválasztását, mert ekkor a fém-frakciót már nem szennyezik rátapadó anyag szemcsék. A válogatóművet a kialakított területen megépített csarnokba építik be (vagy a csarnokkal egy egységben építik meg). A válogatószalag a csarnokban (vagy közvetlenül a csarnok mellé épített) zárt kabinban, a válogató szalag kiszolgáló egységei pedig a kabinon kívül nyernek elhelyezést[2].
1. ábra: Válogató kabin az AWE miskolci telephelyén és szalag[web4]a Pioneer ZRt. szarvasi vetőmag üzemében Manapság, a számítógépek számítási teljesítménye a 10 évvel korábbi kapacitásukhoz képest jelentős növekedést mutatnak, így megnyílt a lehetőség a gépi válogatási technológiák jelentősebb térnyerésének. Az automatikus válogatás során számos részfolyamat követi egymást. Fontos az anyag fellazítása, sorba állítása, hogy minden egyes darab külön vizsgálható legyen (a szemcsék egyedi megjelenítése). Ez a művelet gyakorlatilag szállítószalag, forgó tárcsa vagy egyéb hasonló célú berendezésekkel történik. Ezután a sorba állított szemcséket a felismerő egységhez kell szállítani. Egy jel kibocsátó - jel érzékelő és feldolgozó egység (számítógép) segítségével megtörténik az egyes darabok azonosítása meghatározott szétválasztási tulajdonságok alapján, valamint a kapott mérési jelek kiértékelése. A rendszer automatikusan meghatározza, hogy előre programozott minták alapján a vizsgált szemcse melyik termékbe kell, hogy kerüljön és a cselekvési fázisban beavatkozik. Ez történhet fúvóka sorral, ahol a szabadon eső szemcsék pályáját módosítják légáram segítségével vagy önműködő csapóajtók segítségével terelhetik az egyes szemcséket egyik - vagy - másik termékbe. 3. Sűrűség szerinti szétválasztás A sűrűség szerinti száraz szétválasztás történhet áramkészülékekben süllyedési végsebesség szerint, vagy légáramban fluidizált ágyban sűrűség szerint légszérrel vagy légülepítőgéppel. A légáramban történő szétválasztás elvi alapja a légáramban történő osztályozással azonos módón az alkotók eltérő süllyedési sebessége, ill. közegben való eltérő mozgása. A szemcsék (mérettől és közeg- és szemcsesűrűségtől függő) mozgását a nyugvó közegben mért maximális sebességével, az un. süllyedési végsebességgel jellemezzük., amelyre jellemző, hogy a nagyobb sűrűségű (és nagyobb méretű) szemek nagyobb sebességgel mozognak mint a kisebb sűrűségűek (és kisebb méretűek). A légáramban történő osztályozás esetében elmondott ismereteket azonban szükséges kiegészíteni az együttülepedés fogalmával [2].
Az áramkészülékkel történő szétválasztás feltétele a szemcsék eltérő süllyedési sebessége. Az egykomponensű szemcsék esetén a nagyobb méretű szemcsék nagyobb, a kisebbek kisebb sebességgel mozognak. Többkomponensű különböző méretű szemcsékből álló rendszerben a jelenség összetettebb. Egy kisméretű, de nagy sűrűségű szemcse azonos vagy nagyobb sebességgel mozoghat mint egy jóval nagyobb méretű, de kisebb sűrűségű szemcse. Határeset, azaz az együttülepedés feltétele két eltérő sűrűségű szemcsére v01 = v02. Ebből kifejezhető az együtt ülepedő d1 és d2 méretű szemcsék mérethányadosa. E d1 és d2 szemcsemérethatárokkal jellemzett rendszerben a szétválasztás áramkészülékben sűrűség szerint elválasztásra vezet. Együttülepedés
d1
vo1 ρ1
1
ρ2 d2
vo1 ρ1 < ρ2 vo1 = vo2
2
vo2
r=
d1 Ce1 ρ s 2 − ρ k = d 2 Ce2 ρ s1 − ρ k
2. ábra: Együttülepedés [2] Biomassza és gabonaipari alkalmazások esetén az ellenáramú légáramkészülékeket és az un Ballisztikus szeparátorokat egyaránt alkalmazzák kőkiválasztásra, illetve a hibás , fertőzött gabonaszemek egészségesektől történő elválasztására. Ballisztikus szeparátorokban [1] sokszor nem függőleges, vagy vízszintes, hanem ferde légáram segítségével módosítják az adagolóból hulló szemcsék pályáját. Ekkor a nagyobb sűrűségű szemcsék, nagyobb tömegük miatt tehetetlenebbül viselkednek, így a kisebb sűrűségű frakciótól külön edényzetbe gyűjthetőek.
3. ábra: Gabonaipari légáramkészülék [web1], és a Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet Laboratóriumában épített légáramkészülék Száraz gravitációs dúsítás berendezéseit korábban Csőke foglalta össze [3]. A légszérek szemipermeábilis asztalán a ventilátor által szállított levegő fluid ágyat hoz létre, amelyben a nagyobb sűrűségű szemek az asztalra ülepednek, és e szemeket a vibrációs asztal a lejtőn
felfelé kihordja, miközben a kissűrűségű fluidizált szemcsék az lejtő irányába lefolynak a szérasztalról. A légszérek jellemző kapacitása: 1…2 t/h.m2 A kéttermékes légszérrel, ahol a szérlapon a szemcsék a nem legyezően, hanem csak lefelé (könnyűek) és felfelé (nehezek) haladnak a középtermék keletkezése elkerülhető. A légszérek alkalmazása igen széleskörű, elterjedtek az elektronikai hulladékok, az autóroncsok, a kábelek előkészítésében, faforgácsból a fémek, malmokban őrlés előtt a búzából kőzetszemcsék kinyerésére. Megfelelő sűrűségkülönbség esetén alkalmasok műanyagok (PE/PVC) egymástól való elválasztására is.
4.ábra. Schomberg légszér és légszér működési elve, ahol L - Légáram, A - feladott anyag, L - könnyű termék, S - nehéz termék, 1- lökő-rudazat, 2 – Rúgó, 3 – Ventilátor, 4 – szemipermeábilis asztal Az aero-csatorna (aero-chute) a legutóbbi időkben bevezetett száraz dúsító berendezés, ahol az enyhén dőlt és lefelé szűkülő csatornában az alulról bevezetett levegő hatására fluidizált ágy (és lefelé irányuló szemcseáramlás) alakul ki, amelyben a nehezebb és nagyobb süllyedési végsebességű szemcsék a csatorna aljára dúsulnak fel, miközben könnyebbek és kisebb süllyedési végsebességű szemcsék pedig az ágy felsőrétegébe szállítódnak. Az elkülönült szemcserétegek a csatornavégen terelőlappal egymástól elvezethetők. Hasonló eljárás az ülepítés. Az ülepítés lényege gép szitáján levő szeparálásra feladott szemcsehalmaz periódikus fel-fellazítása és a szitára való visszaülepítése, miáltal az anyagréteg sűrűség szerint rendeződik. A fellazítás vagy szita, vagy pedig a közeg (levegő vagy víz pulzáló) mozgatásával érjük el. A sűrűség szerinti szétrétegződés annak köszönhető, hogy az ülepítőgép szitáján lévő szemcsehalmaz-ágynak a fellazított állapotában is nagy a szilárd részek térfogataránya, amely a rétegek összezáródásakor még nagyobbra növekszik. Minél nagyobb szemcsék a térfogataránya az ágyban, annál nagyobb az ágyat alkotó szilárd szemcsék és a köztük levő közeg sűrűsége, és ezzel együtt az ágy szemcséire gyakorolt felhajtóerő. Az ágy (jelen esetben levegő-szilárd keverék) sűrűségénél nagyobb sűrűségű szemek leülepednek az ágy aljára, a kisebbek pedig felúsznak az ágy tetejére.
5.ábra. ALPINE légülepítőgép A légülepítőgép alkalmazása a légszérekével közel megegyező, fő területek például a faforgácsból a fémek és kőzetszemcsék kinyerésére, szilárd települési hulladékból a másodtüzelőanyag előállításakor a kőzetszemcsék leválasztása, de hulladék előkészítésben az elektronikai hulladékok feldolgozása, a kábelek előkészítésében műanyag-fém elválasztás, illetve sárgaréz forgács elválasztása az alumínium forgácstól is. Jellemző kapacitása: 2…4 t/h.m2 . Általában elmondható, hogy a szilárd biomassza száraz állapotban könnyebben kezelhető, mint nedves állapotban. A száraz biomassza könnyebben tárolható és fajlagos energiatartalma is nagyobb valamint a nedves feldolgozás során keletkező szennyvíz kezelésének költsége aránytalanul magas a kapott termék értékéhez képest, ezért feldolgozása során nedves technológiákat csak igen ritkán, indokolt esetben alkalmaznak, így a sűrűség szerinti nedves szétválasztási technológiák, mint a nehézközeges dúsítás ill. nedves szérek elsősorban a nagy értékű fémhulladékok illetve építési, bontási hulladékok feldolgozási technológiájában alkalmazzák. 4. Szétválasztás a szemcsék eltérő mágneses tulajdonságai alapján A biomassza feldolgozásban a mágneses szeparátorok alkalmazása elsősorban a törő, aprító berendezések védelme érdekében elengedhetetlen[4]. A vas ferromágneses tulajdonságait kihasználva könnyen kiválaszthatóak az anyagáramból a vas tartalmú szemcsék, így elkerülhető, hogy az akár véletlenül (nem az anyagáram tényleges alkotórészeként) odakerült részecskék kárt tegyenek a törő berendezésekben illetve a technológia egyéb berendezéseiben. Fémtartalmú hulladékok feldolgozása esetén a vaskiválasztó mágnesek alkalmazása alapvető. Alapvetően Ferro (erősen mágneses), Para (gyengén mágneses) és Dia (nem-mágneses) mágneses anyagokat a hulladék és biomassza feldolgozásban, a gyakorlatban mágneses és nem-mágneses tulajdonságúként soroljuk be. A vas tartalmú szemcsék jó hatásfokkal elválaszthatóak a nem-mágneses szemcséktől szinte bármely szemcseméret esetén, bár a néhány mm-nél kisebb szemcseméret a biomassza feldolgozásra nem jellemző. A szétválasztás hatásfokát jelentősen ronthatja, ha a feladott anyag nedves, mivel a nedvesség miatt a kis sűrűségű biomassza szemcsék könnyen rátapadnak a vas szemcsék felületére, és mivel tömegük csekély, könnyen a mágneses termékbe kerülhetnek. A vaskiválasztó mágnesek 2 fő típus terjedt el a gyakorlati alkalmazás terén: szalagos és dobszeparátorok [2]. Mind két típus esetén állandó ill. elektromágnesek biztosítják a mágneses
teret. Az állandó mágnesek előnye, hogy működésükhöz nem igényelnek elektromos energiát, így üzemeltetésük olcsóbb. A szalagos szeparátorok egyik típusa a kereszt szalagos szeparátor. A szétválasztandó anyagáram fölé egy az anyagáramra merőlegesen elhelyezett szalagot helyezünk, melynek közepébe, az anyagáram fölé egy mágnest helyezünk. Az anyagáramból a ferromágneses szemcsék felugranak a mágnesre, ahol a keresztáramú szalag elszállítja az anyagáram fölül. ahol a felső szalag már nem tartózkodik a mágnes alatt, a szemcse leesik a szalagról. Ezt a megoldást akkor célszerű alkalmazni, amikor a feldolgozandó anyagáram viszonylag kis mennyiségű vas szemcsét tartalmaz. Keresztszalagos szeparátorok tulajdonképpen bármilyen konvencionális szállítóeszköz fölé szerelhető, azonban kerülni kell vibrációs adagolók fölé történő szerelését, mivel a berendezés csapágyazása átmágneseződhet jelentős kopást okozva a berendezés csapágyaiban. Szalagos szeparátor elhelyezhető szállítóheveder ledobó végénél a szállítóhevederrel egyenáramban. Ebben az esetben, ellentétben a keresztszalagos szeparátorral, olyan mágnest kell alkalmazni, melynek szélessége megegyezik a szállítóheveder szélességével, amely megoldás sok esetben gazdaságtalan.
Fm
Fm>Fc + cos αFg
Fc
Fg
Fm
L v0
H
Fg
6. ábra: Mágneses szeparátorok vaskiválasztásra[3, web2, web3] A mágneses dobszeparátorok hasonló elven működnek a szalagos szeparátorokhoz. Álladó mágnest helyezünk el a szállítóheveder ledobó végénél található feszítő dobba, úgy hogy a mágnes a dob csupán egy szeletét töltse ki. Ekkor a ferromágneses szemcsék rátapadnak a ledobó végen a szalagra és nem repülnek le róla, mint a többi, nem-mágneses szemcse. Amint a ferromágneses szemcse eléri azt a kerületi pontot - rendszerint immár a szállító heveder alsó felén - ahol a mágnes már nincs felette, elengedi azt és egy külön gyűjtő edényzetbe hullik. A hasonló elven, mágnes hengercikkel szerelt dob - rendszerint rozsdamentes acélból készült elhelyezhető a szállítóheveder ledobó végénél a szalag felett. Ekkor a heveder fölé helyezett dob lassan forog, így távolítva el az anyagáramból a dobra felugró mágneses szemcséket. A
dobszeparátor esetében a szemcse kinyerésének feltétele, hogy Fm mágneses erő nagyobb legyen az Fc centrifugális erőnek, valamint az Fg nehézségi erő radiális komponensének az összegénél: Fm > Fc + Fg cosα Összefoglalásként érdemes megemlíteni, hogy manapság igen elterjedtek a biomassza és hulladék előkészítés területén olyan kombinált mobil egységek, amelyek aprítógép vagy osztályozó szitaberendezés, felsőszalagos mágneses szeparátor és légáramkészülék egybeépítésével in-site megoldást biztosítanak a biomassza helyben történő feldolgozására. Egy ilyen osztályozó berendezés látható a 7. Ábrán, ahol egy mobil osztályozó szita feladási pontjánál lehetőség van a kőzetanyag eltávolítására egy légáramkészülék segítségével, a termék kihordó szalagok kialakítása pedig olyan, hogy egy felsőszalagos szeparátor könnyedén elhelyezhető föléjük úgy, hogy a szalag meghajtása a fő egységéről biztosítható. A berendezés könnyen átalakítható dobszitával történő üzemelésre is.
7. ábra: mobil többfunkciós biomassza feldolgozó egység 5. Hivatkozások [1] [2] [3] [4] [5] [web1] [web2] [web3] [web4]
Bőhm József: Szétválasztás közegáramban. Oktatási segédlet, kézirat Csőke B.: Eljárástechnika alapjai. Miskolci Egyetem, Eljárástechnikai Tanszék,Tanszéki jegyzet Csőke B.: A hulladékfeldolgozás szeparátorai, Hulladéksors 2009. X évfolyam 5. Szám pp 20-23 Nagy, S.: Hulladék biomassza aprítása/Comminution of waste biomass material, BIOhulladék/BIOwaste 3-4/2008, 37-44. Sunggyu Lee, James G. Speight, Sudarshan K. Loyalka (editors) Alternative Fuel Technologies, CRC Press, 2007 http://www.magmilling.hu/ http://img.directindustry.com http://www.buntingmagnetics.com http://hungary.pioneer.com
