Nagy Sándor tanszéki mérnök

Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet

Az amaránt szár darabosíthatóságának vizsgálata TDK dolgozat

Készítette:

Szeberényi Tímea IV. éves környezetmérnök hallgató Konzulens:

Nagy Sándor tanszéki mérnök

2012.

Eredetiségi nyilatkozat Eredetiségi nyilatkozat "Alulírott Szeberényi Tímea, a Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Karának hallgatója büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a dolgozatot saját magam készítettem, a benne leírt vizsgálatokat – ha ezt külön nem jelzem – magam végeztem el, és az ismertetett eredményeket magam értem el. Adatokat, információkat csak az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokból használtam fel. Minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem."

Miskolc, 2012. 10. 29.

................................................... a hallgató aláírása

A konzulens nyilatkozata Konzulensi nyilatkozat "Alulírott Nagy Sándor, a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetének tanszéki mérnöke a TDK dolgozatot beadásra alkalmasnak ítélem." Egyéb megjegyzések, ajánlás:

Miskolc, 2012. 10. 29. ................................................... a konzulens aláírása

2

Tartalomjegyzék 1. Bevezetés…………………………………………………………………………..........4 2. Szakirodalmi áttekintés…………………………………………………………………..6 2.1. A biomassza felhasználása……………………………………………………..6 2.1.1. A biomassza felhasználás forrásai és hasznosítási módjai…………...7 2.2. Az amaránt……………………………………………………………………..9 2.3. Amaránt Innovációs Klaszter…………………………………………………11 2.4. Aprítás………………………………………………………………………...12 2.4.1. Vágómalom…………………………………..……………………...14 2.4.2. Forgótárcsás nyíró-aprítógép………………………………………..14 2.5. Darabosítás……………………………………………………………………15 2.5.1. Biobrikett……………………………………………………………16 2.5.2. A biobrikett előállítása………………………………………………16 2.5.2.1. Dugattyús prések…………………………………………..17 2.5.2.2. Csigás prések……………………………………………...18 2.5.3. Pelletálás…………………………………………………………….19 3. Alkalmazott berendezések……………………………………………………………...21 3.1. Függőleges tengelyű vágómalom……………………………………………..21 3.2. Kísérleti dugattyús prés……………………………………………………….22 3.3. Félüzemi síkmatricás pelletprés………………………………………………23 4. Kísérletek az intézeti dugattyús préssel…………………………………………………24 4.1. Az amaránt szár aprítása………………………………………………………24 4.2. Nedvességtartalom-mérés……………………………………………………..27 4.3. Brikettálás……………………………………………………………………..27 5. Kísérletek a félüzemi síkmatricás pelletpréssel…………………………………………37 6. Összegzés……………………………………………………………………………….41 7. Irodalomjegyzék………………………………………………………………………...42

3

1. Bevezetés Az elmúlt évtizedek műszaki, gazdasági fejlődése, a fokozódó urbanizáció következtében rendkívüli mértékben megnőtt a hulladékok káros hatásai elleni védelem jelentősége, amely ma már a környezetgazdálkodási tevékenység egyik kiemelt feladatkörének tekinthető. A hulladékok környezetkárosító hatásának felismerése mellett egyre nyilvánvalóbbá vált a hulladékok szerepe a természeti erőforrásokkal való ésszerű gazdálkodásban, valamint az anyag- és energiagazdálkodásban. Világszerte növekvő gond az anyag- és energiatakarékos gazdaság kialakítása, amely törekvés jelentős kihívás a hulladékgazdálkodás számára. A hulladékok keletkezésének megelőzése, a keletkező hulladékok hasznosítása, feldolgozása, illetve a nem hasznosítható hulladékok ártalmatlanítása csökkenti a természeti erőforrások igénybevételét, valamint az elhasználódott anyagok hulladék formájában a természetbe való visszakerülését, továbbá eredményesen segíti a gazdaság hatékonyságát. Magyarországon évente 300-450 kg/fő háztartási és összetételében ahhoz hasonló ipari-kereskedelmi hulladék keletkezik, amely jelenleg nagyrészt lerakásra kerül. A fejlett országokban e hulladékok jelentős részét értékes alapanyagként, illetve másodnyersanyagként és másodlagos energiaforrásként hasznosítják. A települési hulladékok elhelyezése ma településeink egyik legégetőbb gondja. E hulladékok előkészítése, a hasznos összetevők (fémek, műanyagok, üveg, papír, illetve szerves anyagok) elkülönítetten történő kinyerése nemcsak az elhelyezés gondjait enyhíti, illetve oldja meg, hanem hasznos nyersanyagokat szolgáltat a gazdaságnak. Összességében a hulladék hasznosítása a települési hulladék kezelését gazdaságossá is teheti, mind a nemzetgazdaság, mind az adott település számára. Nem hagyható figyelmen kívül a hulladékkezelés és –felhasználás, mint új iparág gazdaságélénkítő szerepe sem [1]. Hazánk 2004-es csatlakozása az Európai Unióhoz merőben új kereteket teremtett a hazai agrár- és energiapolitika területén, nem változtatott, nem változtathatott azonban azokon a környezetváltozást befolyásoló tényezőkön, gazdaságpolitikai trendeken, melyek közös szabályozás létrehívását tették szükségessé. Ennek a szabályozásnak az unió összes tagállama, így Magyarország is az alanya, és a gazdaságunk minden szektora, a termelés és fogyasztás minden fázisának képviselője érintett. Ezért közös cél, nemzetgazdasági és egyben magánérdek, hogy idomulva az előírásokhoz, egyúttal élve a lehetőségekkel megtaláljuk a fenntarthatóság és a fejlődés útját. Ez azonban olyan kihívásokat hozhat, melyekkel gyakran nehéz megbirkózni. A megszokottól eltérő, új technológiáktól való idegenkedés 4

hátráltathatja azok megismerését, bevezetését, az információhiány mellett az újdonságra való áttéréssel járó beruházás szükségessége is visszatartó hatású. Az elkövetkező tíz évben az Európai Unió országai öt fő energiapiaci trenddel, folyamattal számolnak. Az energiaigények növekedését, az egyre erősödő környezetvédelmi célkitűzéseket, a fosszilis (hagyományos) energiahordozók végességét, a nukleáris energia negatív társadalmi megítélését és hosszabb távon olcsóbb energiaárakat jeleznek előre. Tény, hogy globális felelősség az energiatakarékosság, számolni kell azzal, hogy a Föld energiafogyasztása az elkövetkező ötven évben akár ötszörösére is növekedhet. A fejlődő országokban a fejlődéssel természetesen együtt járó folyamat az egyre több és több energia használata, de a legfejlettebb országokban sem prognosztizálható csökkenés. Sőt a luxuséletmód újabb és újabb energiafogyasztókat teremt, kapcsol be a hálózatba. A megújuló energiaforrások egyre növekvő használatára ösztönzi a kék bolygó országait a levegőszennyezés és az ennek eredményeként bekövetkező üvegházhatás visszaszorítása. Az alternatív energiaforrások alkalmazása (amellett, hogy elsődleges környezetvédelmi cél) gazdasági haszonnal is járhat. De hogyan? A fejlett országok 1997-ben az ún. Kiotói Egyezmény keretében elkötelezték magukat, hogy 2008-tól szén-dioxidkibocsátásukat átlagosan 8%-kal csökkentik az 1990-es állapotokhoz képest. Ez a vállalás egy új fogalmat eredményezett, az ún. emisszió-kereskedelmet, amely alatt a szén-dioxidkibocsátási kvótáknak az egyes országok közötti kereskedelmét értjük. Azon országok, melyek könnyen teljesítik az előírást, a fennmaradó kvótáikat aukciók keretében értékesíthetik. Hazánk teljes kvótájának 1,5%-ával gazdálkodhat ilyen módon. A káros anyagok kibocsátásáért leginkább a lakossági célú fogyasztás és az ipari felhasználók tehetők felelőssé. Az agrárszektor energiahordozónkénti szén-dioxidkibocsátása alacsonynak mondható, a 2005-ös mérések szerint még a gáz- és tüzelőolaj tekintetében sem éri el az 1000 kt-t évenként, amely az elhanyagolható mennyiség legfelső határát jelzi. Az utóbbi évtizedben a mezőgazdasági termelés csökkenésével alakulhatott ki ez a kedvező érték, miszerint a mezőgazdaság energiafelhasználása 1988-tól 2004-ig 7,5%ról 3,5%-ra esett vissza az összes nemzetgazdasági ág tekintetében. Az energiaszektor szemléletváltásának előidézője az a tény is, hogy a fosszilis energiahordozók közül a kőolajra még megközelítőleg 50 évig (EU: 8 év), a földgázra 40 évig (EU: 20 év), LNG (Liquid Natural Gas – folyékony földgáz) használata esetén 65-70 évig számíthatunk – a jelenlegi kőolajmezők tartalékainak ismeretében. Hazánkban a kőolaj elfogyhat 2030-ra, a földgáz szintje kritikusan alacsonyra csökkenhet. Ez az egyik indoka 5

annak, hogy a hagyományos energiaforrásokat olyan újakkal váltjuk fel, melyek szinte korlátlan mennyiségben állnak rendelkezésre, és amelyekkel importfüggőségünk csökkenését is elérhetjük. Ez a folyamat az unió más tagállamaiban már láthatóan jelentkezik. Az EurObserv’ER 2006-os jelentése szerint 2005-ben az unióban a közvetlenül felhasználható megújuló energiaforrások 66,1%-át a biomassza, 22,2%-át a vízenergia, 5,5%-át a geotermikus, valamint szintén 5,5%-át a szélenergia adta. A napenergia részaránya 0,7%-ot ért el. A jelenlegi legfejlettebb technológiákkal a biomassza és a szélenergia alkalmazásában találkozhatunk, de sikerekkel biztatnak a napenergia fejlesztésének eredményei is. A folyamatos kutatásoknak, a legköltséghatékonyabb megoldások kimunkálásának fő ösztönzője az elkerülhetetlen környezeti változások mellett az unió vonatkozó irányelve, mely szerint a megújuló energiaforrások részarányának az összenergia-termelés vonatkozásában 12%-ra, a villamosenergia-termelés tekintetében pedig 21%-ra kell emelkednie 2010-re. A 2020-ra előirányzott célérték az összes megújuló energiahordozó felhasználására vonatkozóan 20%. [6] Munkám célja az volt, hogy az amaránt szárának energetikai felhasználhatóságát vizsgáljam. A darabosítási vizsgáltatokat kísérleti dugattyús préssel és félüzemi síkmatricás pelletpréssel végeztem. Vizsgáltam az alapanyag szemcseméretének és nedvességtartalmának hatását a brikettminőségre, továbbá adalékanyag alkalmazhatóságát. A kísérleteket különböző préselési nyomásokon és hőmérsékleteken végeztem el.

2. Szakirodalmi áttekintés 2.1. A biomassza felhasználása Hazánk természeti adottságaiból fakadóan évről évre igen jelentős mennyiségű főés melléktermék képződik az élelmiszer-gazdaságban, valamint a kommunális szektorban. Ezeknek az anyagoknak a hatékony és maradéktalan felhasználása ma még jórészt megoldatlan és általában költséges feladat. Szakszerű kezelésük ugyanakkor jelentős megtakarításokat eredményezhet a vállalkozók és a háztartások részére, makrogazdasági szempontból (regionális és országos szinten) pedig minden esetben pozitív külső hatásokkal jár. 6

A biomassza felhasználásával kapcsolatos döntéseknek számos gazdasági, környezetgazdálkodási és technológiai kérdésre kell megoldást adniuk. Az optimális válaszok korrekt megállapítását bizonytalanná teszi az, hogy az okozott hatások egy része nehezen számszerűsíthető. Sokszor a tőkehiány korlátozza, vagy teszi lehetetlenné a sikeres megvalósítást. A talajerő-gazdálkodás, az élelmiszer és takarmány célú biomassza-előállítás, illetve az ipari hasznosítás igen jelentős területei a biomassza hasznosításának. A biomassza energetikai hasznosítása már a múltban sem volt ismeretlen és jelenleg is számos országban aknázzák ki a benne rejlő lehetőségeket. Hazánkban a romló közgazdasági feltételek, a szűkösen található energiaforrások, valamint a fenntartható fejlődés feltételeinek megteremtése egyre aktuálisabbá teszik a megújuló energiahordozókból, ezen belül a gazdaságban képződő, illetve a kommunális jellegű biomasszából nyerhető energia szélesebb körű elterjedését. [2]

2.1.1. A biomassza felhasználás forrásai és hasznosítási módjai A biomassza alapvetően 5 nemzetgazdasági ágból (növénytermesztés, állattenyésztés, élelmiszeripar, erdőgazdaság, kommunális szféra) származhat és igen sokféle célra felhasználható. Az élelmiszer- és takarmány-előállítás alapanyagbázisát az élelmiszer-gazdaság (a növénytermesztés, az állattenyésztés és az élelmiszeripar) szolgáltatja. Elsődleges funkciót tölt be, hiszen robbanásszerűen növekvő számú ember életfenntartását kell lehetővé tennie gyakorlatilag változatlan nagyságú termőterületen a fejlődő országokban, ugyanakkor rendkívül sok természeti és közgazdasági kockázattal kell számolniuk a fejlett országok mezőgazdasági termelőinek is. Az egymással ellentétes erkölcsi, gazdasági és politikai érdekek összehangolása napjainkban szinte megoldhatatlan probléma. A talajerő-gazdálkodásban – a zöldtrágya-növényeket kivéve – leginkább melléktermékeket használnak fel. Ezek túlnyomórészt az élelmiszer-gazdaságból származnak (szármaradványok almos trágya, cukorgyári mésziszap), kisebb hányadukat az erdészeti melléktermékek (avar, töredékgallyak) és – megfelelő ártalmatlanítás után – a kommunális, esetleg ipari hulladékok teszik ki. Utóbbiak hatásfokát nagymértékben javíthatja a szelektív hulladékgyűjtés, illetve a veszélyes szennyvizek elkülönítése a kommunális szférától. 7

Az ipari hasznosítás a fejlett országokban leginkább vidékfejlesztési célokat szolgál. A növényekben található szénhidrátok származékainak kémiai, illetve biológiai átalakítása olyan termékek előállítására szolgál, melyek piacképesek és eladhatóak, szemben az alapanyaggal, mely általában feleslegben van jelen a piacon. A kémiai módszerek közül elsősorban a hidrolízist, a szubsztitúciót és az észterezést alkalmazzák, míg a biológiai eljárások általában a mikrobiológiai erjesztésen alapulnak. A petrolkémiai nyersanyagokkal szemben az iparorientált agrárfeldolgozási rendszerek lehetnek versenyképesek, melyek olyan különleges növények termeltetését, illetve csökkent piacképességű növények speciális feldolgozását jelentik, melyeknek egyébként nem lenne piaca. A jövőben a biomassza ipari hasznosításában tehát – a minőség javításán és a fajlagos költségek csökkenésén túlmenően- döntő szerephez jut majd az új nyersanyagok és az ehhez szükséges infrastruktúra előállítása. Az energetikai célú hasznosítást tekintve megállapítható, hogy a növénytermesztésben és az erdészetben képződő melléktermékek teljes mennyisége átalakítható valamilyen formájú energiává, de egyre terjedőben van a speciálisan energetikai célú főtermékek előállítása is (energiaerdő, biodízel, bioetanol). Az állattenyésztésben csak a melléktermékek vehetők számításba, elsősorban biológiai elgázosításra, melynek hazánkban nem is annyira az energetikai, hanem inkább a környezetvédelmi (hígtrágya-elhelyezés) és talajerőgazdálkodási (biotrágya) vonzata bírhat jelentőséggel. Az élelmiszeriparban – elsősorban a növényolajiparban – az igen jelentős saját energiafogyasztást csökkentheti az itt képződő melléktermékek energiává (pl. gőzzé) alakítása. Végezetül a kommunális és ipari hulladékok anaerob erjesztése részben egy fejlettebb technológiai szinten teszi lehetővé ezen anyagok kezelését, részben pedig alkalmas a telepek saját villamos- és fűtőenergiaellátásán kívül rendszerint fölös mennyiségben elektromos energia előállítására is. Utóbbit – jogszabályban szabályozott áron és feltételek mellett – kötelesek átvenni a helyi áramszolgáltatók. Külföldön a használt étolajat is felhasználják biodízel-termelésre, hazánkban mind az eljárással, mind az alapanyaggal szemben sokan hangoztatják fenntartásaikat. Ezekből az anyagokból sokféle eljárással előállítható hőenergia, villamos áram, vagy hajtóanyag. Hazánkban a közvetlen eltüzelés (elgázosítás), a biobrikett (tűzipellet), a biogáz, a biodízel és a bioetanol tekinthető a legígéretesebbnek. Alkalmazásukat többékevésbé behatárolja a felhasználható alapanyag a következők szerint: -

Közvetlen eltüzelés: alacsony nedvességtartalmú és magas fűtőértékű növényi anyag. 8

-

Biobrikett: az előzővel megegyező és felaprított növényi anyag.

-

Biogáz: bármilyen szerves anyag, megfelelő arányban összekeverve.

-

Biodízel: olajtartalmú magvak, illetve hulladékok.

-

Bioetanol: szénhidrát- (cukor, keményítő, cellulóz) tartalmú növényi termékek. [2]

2.2. Az amaránt Az amaránt a Föld egyik legősibb kultúrnövénye, amely tanúja volt az Azték és Inka birodalmak felvirágzásának és bukásának. Onnan származik, ahonnan a kukorica, a burgonya, a paprika, paradicsom és a bab érkeztek hozzánk. Amerika felfedezése előtt az ott élő népek számára alapvető táplálékforrás volt a kukoricával és a babbal együtt, akárcsak a gabonafélék a mai Európában. Tudatos termesztése 5-6000 évre nyúlik vissza. Akkori fontosságát támasztja alá az a feljegyzés is miszerint Monetzuma, az utolsó azték uralkodó, évente 5000 tonna kukoricát és 3700 tonna amaránt magot kapott ajándékba (adóba) alattvalóitól. Rajtuk kívül termesztették a Mayák, az Inkák és más elő-Kolumbiai népek is. Kolumbuszt követő hódítók sok új növény- és állatfajjal ajándékozták meg az öreg kontinenst, de jó néhányat ott felejtettek. Ilyen volt az amaránt is. Ennek oka talán az lehetett, hogy az őslakók szent, testi, szellemi és lelki erőt adó növénynek tartották, amint a későbbiekben ki is derül, nem alaptalanul. A keresztény Európából érkező hódítók számára az amaránt barbár rituálék eszközének számított. (Pl. lisztjét ember vérrel keverve vallási szertartásokon megették.) Cortez a "problémát" úgy oldotta meg, hogy rendkívül keményen büntette még a termesztését is. Az amaránt visszaszorult Dél- és Közép-Amerika eldugott hegyi falvaiba, ahol termesztésük sohasem szűnt meg, és itt vészelte át - a mai ember szerencséjére - az "újra felfedezéséig" eltelt néhány száz esztendőt. A világtól elzártan élő embereknek köszönhetően volt mihez nyúlniuk az amerikai kutatóknak. A 70-es évek közepén, az Egyesült Államokban kezdődtek meg a kutatások és ezzel egy időben a termesztést koordináló amaránt centrum megalapítása. Magyarországi meghonosítása mintegy 15 évre tekint vissza, és a 90-es évek elején államilag elismert magyar fajtát is sikerült kinemesíteni. Termesztése - az itthoni ismertség hiányában - idáig teljes egészében export célra történt.

9

1. ábra: Az amaránt növény (forrás: http://okovolgy.hu/amarant-betakaritas-krisnavolgyben/) Az amaránt mag beltartalmát vizsgálva és összehasonlítva a búzáéval vagy más gabonafélével több vonatkozásban lényeges eltérést mutat: 1. táblázat: Az amaránt összehasonlítása más gabonafélékkel Fehérje

Lizinhányad

Szénhidrát

Kalcium

Vas

Magnézium

(%)

(%)

(mg)

(mg)

(mg)

(mg)

Amaránt

16

8,5

63

162

10

280

Búza

10

3,5

71

41

3,3

20

Amaránt/búza

160%

243%

89%

395%

300%

1400%

Kukorica

9

2,5

74

20

1,8

7

Rozs

13

4

73

38

2,6

-

Hajdina

12

5,8

72

33

2,8

-

Rizs

7

2,7

77

32

1,6

13

Az amaránt aminosav összetétele harmonikusan kiegyenlített, ennek köszönhetően fehérje tartalma kiválóan hasznosul (75%). Állatkísérletek igazolják, hogy a nyers mag fehérjéinek biológiai értéke magasabb még a legközismertebb fehérjeforrásénál is, ami hőkezeléssel még tovább fokozható.

10

2. táblázat: A fehérje hasznosulása az emberi szervezetben Amaránt

75%

Tehéntej

72%

Szója

68%

Árpa

62%

Búza

60%

Földimogyoró

52%

Kukorica

44%

Az amaránt kitűnő vas, kalcium, magnézium és cink valamint egyéb mikroelem forrás. Nemcsak a gabonák, de valamennyi fontos növényi táplálékunkat figyelembe véve az amaránt vastartalma kiemelkedő mind mennyiségét, mind biológiai hasznosulását tekintve. Ez nemcsak a vegetáriánusok számára lehet érdekes, akiknek szervezetük vashoz juttatása táplálkozásuk egyik Achilles-pontja, hanem a világ lakosságának 20%-át kitevő valamennyi vashiányosnak. Kiemelendő kalcium tartalma is, amely nemcsak meghaladja a tejét, hanem biológiai hasznosulását tekintve a legjobb kalcium-forrást jelentő élelmiszer. Az amaránt magnézium tartalma nagyságrenddel nagyobb a gabonaféléknél, amely jótékony hatással van az elme frissességének megőrzésére és a szívizom működésére. Ezeket a beltartalmi értékeket még értékesebbé teszi az amaránt gluténmentessége, amelynek köszönhetően lisztérzékenyek számára is elérhető. "Az élelmirost-tartalma alapján a tészta az élelmi rostban gazdag különleges táplálkozási igényt kielégítő élelmiszerek csoportjába sorolható." (OÉTI 1096/96) [5]

2.3. Amaránt Innovációs Klaszter Az Amaránt Innovációs Klaszter megalakulását elsősorban az indokolta, hogy az elmúlt években nem sikerült egy olyan alternatív mezőgazdasági növényt találni, amely a megújuló energia alkalmazása révén csökkenthetné a kistérségi – országos intézmények, létesítmények működtetésének a függőségét a vezetékes szolgáltatóktól. Ezzel tervezhetőbbé válna a gazdálkodás és a világpiaci változások jóval csekélyebb mértékben érintenék 11

a

térség

intézményeit,

vállalkozásait

és

a

lakosság

megélhetési

feltételeit.

A klaszter feladatául tűzte ki, hogy ennek érdekében a térség vállalkozásaira építve megszervezi az amaránt termesztési technológiájának és az abból előállítható termékeknek a fejlesztését és piaci elterjesztését. Ehhez alapot biztosít az amaránt sokoldalú felhasználhatósága. Egyes fajtái intenzív növekedésük révén energetikai alapanyagként, mások magas tápértékű (fehérje pótló) takarmányként, magja élelmiszerként, illetve élelmiszer adalékként használható fel. A belőlük készült ételek magas vas, kalcium, magnézium tartalmuk révén a terhes anyák, a kisgyermekek, a nők és az idős emberek táplálkozásában vállalhatnak jelentős szerepet. Miután gluténmentes, így a liszt érzékenyek is fogyaszthatják. A mezőgazdasági termesztés a Bódva és a Hernád völgyében indult a miskolci székhelyű klaszter irányítása mellett. A klaszter támogatásával már több pályázat került beadásra, a Magyar-Szlovák határon átnyúló Együttműködés 4. számú felhívása keretében energetikai és K+F pályázatok, az Új Széchényi Terv keretében KEOP és GOP pályázatok a tagok saját forrásainak pályázati támogatásokkal történő kiegészítése érdekében. A klaszter együttműködést alakított ki a térség felsőoktatási intézményeivel, így a Miskolci Egyetemmel az energetikai vizsgálatokra, a Károly Róbert Főiskolával a termesztési feltételek vizsgálatára és a Nyíregyházi Főiskolával gépfejlesztésre és a laborvizsgálatok elvégzésére. Tevékenységüket támogatja a MTA martonvásári Mezőgazdasági Kutatóintézete. [3]

2.4. Aprítás Az aprítás során a feladás nagyobb méretű darabjaiból, szemcséiből kisebbeket állítunk elő többnyire valamilyen fizikai igénybevétellel. A szemcsék aprózódását kiváltó igénybevételt aprítógépekkel valósítjuk meg. A >(0,5...1) mm-es szemcséket eredményező aprítást törésnek nevezzük, gépei a törők. A törők terméke a töret. A <(0,5...1) mm-es terméket szolgáltató aprítás az őrlés, az őrlés gépei a malmok. A malmok terméke az őrlemény. Az aprítás mértékét az aprítógép feladása és terméke valamely jellemző (X ill. x) szemcseméretének hányadosával, az aprítási fokkal jellemezzük: -

80 %-os szemcseméretek alapján: 12

-

az átlagos szemcsenagyságok alapján:

A töret 80 %-os szemnagysága alapján: 3. táblázat: Aprítási területek x80 durva aprítás

> 50 mm

közép aprítás

5 < x80 ≤ 50 mm

finom aprítás

0,5 < x80 ≤ 5 mm

őrlés

0,05 < x80 ≤ 0,5 mm

finom őrlés

< 0,05 mm

aprítási területeket különböztetünk meg. Az aprítást rendszerint több egymást követő törési, ill. őrlési fokozatban valósítjuk meg. Az aprítás mértéke, a töret, ill. az őrlemény szemcseösszetétele azok felhasználási céljától függ. A diszperz anyagok előállítását szolgáló aprítás az egyik legszélesebb körben – a vegyiparban, a gyógyszer- és élelmiszeriparban, építőipari alapanyaggyártásban, az ásványelőkészítésben és ásványfeldolgozásban egyaránt – alkalmazott anyagátalakító ipari eljárás. Az aprítás célja lehet: -

A végtermék kívánt halmazsajátságainak az elérése, például jó folyási tulajdonságok, megfelelő töltéssűrűség, magas színhatás, kellemes íz.

-

A további feldolgozás eljárásai által igényelt szemcseméret előállítása.

-

Keverékrendszerekben az alkotók fizikai feltárása.

Az aprítás igen jelentős energiát igényel. A fejlett ipari országokban az aprítás a teljes energiafelhasználás kb. 5%-át emészti fel. Az aprítási energia megtakarításához tehát jelentős nemzetgazdasági érdekek fűződnek. [4] A biomassza-nyersanyag aprítására megfelelő igénybevételek nyírás, vágás, ill. dörzsölés. A nyíró, vágó aprítógépekben az aprítást az egymással szembe mozgó (forgó) vágó, nyíró szerszámok végzik. A jellemző meghatározó igénybevétel a nyírás. A nyírási igénybevétel mellett megtalálhatóak az ütő igénybevétellel dolgozó gépek is a mezőgazdasági alkalmazásban (kalapácsos törő), ahol legnagyobb részben a nagy sebességgel forgó kala13

pácsok, ill. lemezkalapácsok biomasszával történő ütközésének hatására következik be az aprítás. A következő két alfejezetben a vágómalmokat és a forgótárcsás nyíró aprító berendezést mutatom be.

2.4.1. Vágómalom A rugalmas és képlékeny anyagok aprítására vágómalmokat alkalmaznak. Ilyen anyagok például a gumi hulladék, műanyag hulladék, bőr, fa, papír. A vágómalmok finomőrlésre alkalmazhatóak. A vágómalmok általában két-, vagy háromfokozatúak, ritkán egyfokozatúak. A vágómalmok a rotoros gépek közé tartoznak. A függőleges tengelyű vágómalom esetén a magas fordulatszámú vágó-rotor egy stabil házban forog, amelyen vágókések helyezkednek el. A házban található egy álló vágókés, amely párhuzamos tengelyű, így egyidejűleg mindig csak egy kés-pár aprít. Az aprító teret alulról egy fenékszita határolja. A ház felső részét az adagolótölcsér képzi. Az aprítási folyamat közvetlenül a forgó rotor és a vágókések között megy végbe. A forgókések és az állókések között nyíró és vágóerő lép fel. Az aprított termék szemcseméretét elsősorban a szitanyílás mérete határozza meg. [4]

2.4.2. Forgótárcsás nyíró-aprítógép A nyírással előnyösen aprítható lágy, képlékeny, szívós, viszko-elasztikus és szálas anyagok, hulladékok, többek között cukorrépa, kukorica (cső, és szár), fagallyak (valamint műanyagok gumi, vékonyfalú fémtárgyak) elő-, durva- és középaprítására a forgótárcsás nyíró/aprítógépek előnyösen alkalmazhatók. A gép házában két vagy négy darab kis kerületi sebességgel forgó rotor van. A rotorokon egymás mellett felváltva elhelyezett vágó- és távtartó tárcsák helyezkednek el. Az aprítás szembeforgó fogakkal is ellátott tárcsák között nyírással (körolló) és tépéssel történik. Felépítésüket, amit két vagy négy darab, 0,2…0,6 m/s alatti kerületi sebességgel forgó rotor jellemez. Forgótárcsás nyíró-aprítógép alkalmazásakor a kis kerületi sebesség miatt, általában kisebb energia bevitel mellett, csekély zajjal valósítható meg a nyírás-vágás, tetszés szerinti darabokra vágja a feladott anyagot (pl. cukorrépa). [4]

14

2.5. Darabosítás Darabosítás az aprítással ellentétes eljárás. Darabosításnak (agglomerálásnak) nevezzük azt a mechanikai eljárást, amikor szemcsék közötti kötőerők révén a finom szilárd diszperz anyag (porok, zagy finom részecskéi) szemcseméretét megnöveljük. Számos iparágban – ásványi nyersanyagok előkészítése, cementipar, vegyipar, élelmiszeripar, mezőgazdaság, gyógyszeripar – előfordulnak olyan finom-diszperz anyagok, amelyeket sok esetben agglomerálni kell. [4] A biomassza energetikai hasznosításának legegyszerűbb és az energiamérleg szempontjából is legkedvezőbb változata az eredeti, vagy az eredetihez közeli állapotban történő energetikai felhasználás. Emellett azonban vagy az alapanyag tulajdonságai (pl. kis halmazsűrűségű melléktermék) vagy a felhasználás speciális technikái (pellettüzelő, látványkandalló) szükségessé teszik az energetikai tömörítvények előállítását is (hasonlóan a szénbrikett, a rúdszén stb. gyártásához). A tömörítésnek fő célja a térfogati sűrűség növelése, ami kedvezően változtatja meg -

a tárolási helyigényt,

-

a rakodás feltételeit,

-

a tűztérbe juttatás és az égés feltételeit,

-

a nagyobb térfogati sűrűség révén a fajlagos energiasűrűséget (GJ/m3),

-

esetenként a nedvességtartalmat.

A tömörítés történhet: -

bálázással (hengerbála, kis- és nagybála),

-

brikettálással, o dugattyús préssel (egyirányú, kétirányú, háromirányú prés) o csigás préssel (nyomócsigás, őrlőcsigás),

-

pelletállással.

A tömörítési eljárás alkalmazásával energetikai tömörítvényt állítanak elő. Az energetikai tömörítvény legfontosabb jellemzője a fajlagos térfogati sűrűsége (m3/GJ), és a fajlagos energiatartalma (GJ/m3). A biomasszát eredeti vagy homogenizálást (aprítást) követő állapotban lehet tömöríteni. [2]

15

2.5.1. Biobrikett Az energetikai tömörítvények egyik fontos változata a brikett. Brikettálásnál elsősorban a lignocellulózok feldolgozása közben keletkező, de változatlan anyagú hulladék energetikai hasznosításra történő előkészítése a cél. Ezeknél az anyagoknál jellemző, hogy -

a hulladék ill. apríték halmazsűrűsége viszonylag kicsi, ezért szállítása és tárolása költséges, ill. helyigényes,

-

az alapanyag nedvességtartalma változó, a hagyományos tüzelőberendezések nem vagy csak részben alkalmasak az adott hulladékforma jó hatásfokú elégetésére, ezért brikettálás nélkül ennek a hulladéknak a felhasználása berendezéscserét igényelne.

Az ilyen hulladékok (pl. faporok, finomforgácsok, maghéjak, fa-, szalma-, energianövény-őrlemények, mezőgazdasági melléktermékek stb.) összes mennyisége nem túl nagy, de a keletkezés helyén jelentős is lehet, sőt technológiai zavart is okozhat, ezért a brikettálás egy új energiahordozó előállítása mellett hulladékhasznosítást és technológiai zavar megelőzést is jelent (faipari üzemben keletkező por, forgács brikettálása). Ezek a melléktermékek, illetve hulladékok akkor vihetők be az országban igen nagy mennyiségben használatban levő, szilárd tüzelőanyagot hasznosító lakossági tüzelőberendezésekbe, ha biobrikettet állítunk elő belőlük. A biobrikett -

nagy fűtőértékű (18…18,5 MJ/kg),

-

kis nedvességtartalmú (8-14%),

-

kis hamutartalmú (0,8…7,5%),

-

nagy energiasűrűségű (22…24 MJ/dm3),

-

közepes árfekvésű (850…1200 Ft/GJ),

-

20-100 cm2 keresztszelvényű,

-

lakossági igényeket kielégítő (darabos, jól kezelhető és tárolható) tüzelőanyag.[2]

2.5.2. A biobrikett előállítása A brikettálás présgépekkel történik. Ezek lehetnek -

dugattyús prések (egyirányú, kétirányú, háromirányú prés) és

-

csigás prések (nyomócsigás, őrlőcsigás). 16

A présgépekre jellemző, hogy a tömörítés legalább két lépésben történik. Az első szakaszban az alapanyagot őrléssel vagy anélkül, előtömörítéssel préscsatornába nyomjuk. A préscsatornában tengelyirányú és a préscsatorna kúposságának függvényében keresztirányú tömörítés megy végbe. A préscsatornában relaxációs folyamatok is végbemennek. A biobrikett előállításához kötőanyagot nem használnak. A tömörítvényt alkotó részecskéket hideg tömörítés esetén a súrlódásos kapcsolatok tartják össze. A meleg eljárás esetén a súrlódásos kapcsolatokon túl az alapanyagban végbemenő kémiai változások is szerephez jutnak a brikett létrejöttében. [2]

2.5.2.1. Dugattyús prések A dugattyús présekkel végzet brikettálásra az jellemző, hogy egy vagy több dugatytyúval és ütemben összepréseljük a kis tömörségű alapanyagot, majd a tömörítvényt besajtoljuk egy préscsatornába, ahol további keresztirányú tömörítés, valamint a kitolás irányában ismételt tömörítés jön létre. A fellépő nagy nyomások és hatásidő mellett a viszkoelasztikus anyagtulajdonságú lignocellulózok rugalmas és maradandó alakváltozást szenvednek, a relaxációs időszakban a maradandó alakváltozások állandósulnak, és létrejön a tömörítvény. A tömörítés közben a rugalmas alakváltozások során fellépő alakváltozási és súrlódási munka egy része hővé alakul, hő keletkezik a préscsatorna és a tömörítvény súrlódásos kapcsolata révén is, és esetenként hevítő fejjel viszünk be hőt. A dugattyús brikettálóknak egydugattyús, kétdugattyús és háromdugattyús változata ismert, eszerint velük egyirányú, kétirányú és háromirányú préseléssel állítható elő tömörítvény. A tömörítvény brikett, ami a présgép működési elvéből következően hasáb vagy más formájú valódi brikett, vagy extrudált és meghatározott hosszméretre tört rúdbrikett (átmérője

40-80

mm).

Az

egyirányú

dugattyús

présgép

löketenként

elemi

brikettpogácsákat állít elő, ezeket a préscsatornába nyomja, ahol az ismétlődő tengelyirányú erők, valamint a keresztirányú tömörítés hatására extrudátumra emlékeztető rúdbriketté kapcsolódnak. A brikettet hajlító igénybevételnek kitéve a törés könnyen, és a pogácsák kapcsolódó síkjai mentén megy végbe. Ezen síkok mentén esik darabokra a brikett a tűztérben kigázosodás közben is. A megoldás hátránya, hogy a kívánatos anyagáram eléréséhez nagy löketszámmal kell működtetni, és a brikettálandó anyagnak igen kis méretű részecskékből kell állni. 17

Nagyobb méretű frakciókból álló alapanyag brikettálásához a két- vagy a háromirányú préseket használják. Ezek valódi (többnyire hasáb alakú) brikettet állítanak elő. Működésük lényege az, hogy az alapanyagot először előtömörítő térbe juttatják, ahol egy vagy két irányból először előtömörítik, majd a közel végleges keresztmetszetűre előtömörített anyagot nyomják be a préscsatornába, ahol a végleges sűrűséget és méreteket eredményező hossz- és keresztirányú tömörítésre kerül sor. [2]

2. ábra: A dugattyús prés vázlata

2.5.2.2. Csigás prések Nyomócsigás berendezés esetén a csiga folyamatos előtolással hozza létre a kompressziót és a kitolást. A csiga végén az előtömörített anyag egy kúpos előtömörítő csatornába, onnan a préscsatornába jut. A csiga préscsatorna felőli megtámasztása kúpos csapot alakítanak ki, amely magában a brikettben támaszkodik meg, így az előállított brikett a csapátmérőnek megfelelő lyukkal készül. A préserők ennél a géptípusnál is csökkenthetők hevítéssel. A brikettálás fajlagos energiaszükséglete 70-90 kWh/t. Őrlőcsigás berendezés esetén a párhuzamos tengelyű egymásba illeszkedő csigák az alapanyagot aprítják, és előre préselik. A présgép szektorokból épül fel, amelyek egyre kisebb menetemelkedésű csigákból állnak, ezért az őrlés a finomabb tartományokba tolódik el, és a présnyomás is nő a csiga hossztengelyének mentén. A fellépő nagy hő hatására vízgőz távozik az anyagból, a burkolaton kialakított nyílásokon keresztül. Az utolsó szektorhoz préscsatorna, esetleg matrica csatlakozik. Megállapítható, hogy a berendezésben a betáplált alapanyag nedvessége és átlagos szemcsemérete is csökkenthető, így az átlagosnál jóval magasabb nedvességtartalmú, és szemcseméretű alapanyag is feladható rá. [7]

18

3. ábra: Nyomócsigás prés vázlata

4. ábra: Őrlőcsigás prés vázlata

2.5.3. Pelletálás A pelletálás a biobrikettgyártás speciális változata. Korábban takarmányozási célra állítottak elő pelletet, de kedvező méretei miatt az utóbbi időben igen nagy mértékben terjed a tűzipelletgyártás. A biobrikett igen kedvező tulajdonságokkal rendelkező energiahordozó. Egy nagy hátránya van: méretei miatt kis tüzelőberendezések esetében nem, vagy csak igen nehezen oldható meg a tüzelőanyag automatizált betáplálása. Erre a célra az igen kis méretű (5-10 mm átmérőjű, és 10-25 mm hosszú) pellet sokkal jobban megfelel, mert csigás vagy cellás adagolóval igen pontos adagolással juttatható a tűztérbe, tehát egészen kis hőteljesítményű berendezések (2-3 kW) is jó hatásfokkal működtethetők vele. A pellet igen termelékenyen állítható elő. Az alapanyag por-, forgács-, aprítékszecska lehet. A gépben a termék előállítása közben is folyik aprítás-őrlés, ezért kevésbé finom szemcseméretű alapanyagot igényel, mint a dugattyús brikettálók. A pelletálógép két fontos változata használatos: -

hengermatricás,

-

síkmatricás.

Mindkét esetben járókerekek (görgők) préselik át az alapanyagot a matrica furatain. A görgők őrlést is végeznek. A pellet 0,7-0,9 g/cm3 sűrűségű. Ömlesztett halmazsűrűsége 600-650 kg/m3. A hengermatricás pelletáló forgó hengerén találhatók a furatok, melyekbe a hengerben található, a felületen bordázott görgő(k) préselik be az alapanyagot. A pellet kívánatos sűrűségének megfelelően kell az alapanyagból a matricára teríteni a „paplan”-t, melynek vastagságát terítőlemezekkel vagy az adagolás intenzitásának (anyagáram) változtatásával érjük el. 19

5. ábra: A hengermatricás pelletáló vázlata A síkmatricás pelletáló működésének elve alapjaiban megegyezik a hengermatricásnál megismerttel, azaz a pelletálandó anyagot itt is paplanként terítik el. A furatokkal áttört síkmatrica tárcsa alakú, a közepén levő furaton vezetik át azt a főtengelyt, amelyhez sugár irányban álló csapokon elhelyezett, bordás felületű görgők találhatók. A főtengelyt motorral, áttételen keresztül hajtják meg. A főtengely forgása közben a görgők nyomó-nyíró igénybevételt hoznak létre az alapanyagban, és eközben az anyag őrlése és préselése megy végbe. Az alapanyagot a görgők a furatokba préselik, ahol a fellépő súrlódások hatására tengelyirányú erők által létrehozott nyomás, valamint a furatban fellépő sugárirányú nyomás hatására ismételt illetve tartós tömörítő hatás jön létre. A matrica túloldalán kilépő tömörítvényt a főtengelyhez szerelt, a matricától megfelelő távolságban, és a főtengellyel együtt mozgó törőélek törik le, és hull az elszállító berendezésre a megfelelő hosszúságúra tördelt pellet. [2]

6. ábra: A síkmatricás pelletáló vázlata 20

3. Alkalmazott berendezések Munkám során az amaránt mintát előkészítettem, majd darabosítottam, az ezekhez szükséges berendezéseket mutatom be ebben a fejezetben.

3.1. Függőleges tengelyű vágómalom A munkám során szükséges vizsgálatokhoz aprításra volt szükségem. Ehhez az intézetben található függőleges tengelyű vágómalmot használtam. Többféle szitanyílás állt a rendelkezésemre a berendezéshez, így különböző maximális szemcseméretű aprítékot tudtam előállítani. 4. táblázat: A függőleges tengelyű vágómalom paraméterei: Teljesítmény

Kb. 100 kg/ó

Energiaigény

5,5 kW

Tömeg

210 kg

Szájnyílás

170×190 mm

Szitabetét lyukbőségek

1; 2; 4; 8 mm

8. ábra: Függőleges tengelyű vágómalom vágókései 7. ábra: Függőleges tengelyű vágómalom

21

3.2. Kísérleti dugattyús prés A kísérleteimet a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai

Intézete

által

kifejlesztett,

és

legyártott

hidraulikus

brikettáló-

berendezéssel folytattam le. A berendezés működését egy hidraulikus tápegység végzi. Két hidraulikus dugattyú található rajta, a felső – préselésre használt – 200 kN maximális erő kifejtésére képes. Az alsó kizárólag a kész brikett kiemelésére szolgál. A dugattyúk útváltó szelepek segítségével mozgathatók. A dugattyúkba jutó olaj nyomását (így a tabletta felületére ható erőt) tetszőleges, előre beállított értéken le lehet határolni a nyomáshatárolókkal. A dugattyúk sebességei a mennyiségállandósító szelepekkel állíthatók, a présdugattyú maximális sebessége 30 mm/s. A hüvely, biobrikettek és műanyag brikettek készítése érdekében fűthető, a hőmérséklet 20˚C és 140˚C között szabályozható. A berendezés rendelkezik egy inkrementális távolságmérővel a dugattyú elmozdulásának mérésére, egy erőmérővel a fellépő erők meghatározására, hüvely-fűtést szabályozó rendszerrel, valamint számítógépes adatrögzítő rendszerrel.

9. ábra: Kísérleti dugattyús prés

22

5. táblázat: A kísérleti dugattyús prés paraméterei Maximális erő

200 kN

Maximális sebesség

30 mm/s

Préshüvely átmérő

25, illetve 40 mm

Hőmérséklet tartomány

20…140°C

Távolságmérés

Inkrementális

Adatfeldogozás (erő, távolság)

PC, LabWindows

3.3. Félüzemi síkmatricás pelletprés A kísérleti dugattyús préssel történő vizsgálatok után, az optimálisnak vélt paraméterekkel tovább dolgoztam a félüzemi síkmatricás pelletpréssel. A berendezés rendelkezik egy keverőtartállyal, amelyen keresztül a vizsgálandó anyag feladásra kerülhet, egy gőzfejlesztővel, egy kondícionáló csigával, amely a homogenizálást segíti elő a gőzzel, valamint egy pelletpréssel. 6. táblázat: A félüzemi síkmatricás pelletprés paraméterei Teljesítmény

7,5 kW

Névleges kapacitás

110-180 kg/ó

10. ábra: Félüzemi síkmatricás pelletprés

23

11. ábra: Félüzemi síkmatricás pelletprés belülről

4. Kísérletek az intézeti dugattyús préssel Munkám célja az amaránt szár energetikai hasznosításának vizsgálata volt. Az agglomerálhatósági kísérleteknél először az intézeti dugattyús préssel dolgoztam. A vizsgálatok során behatároltam az optimális paramétereket, amelyeket a későbbiekben a félüzemi pelletprésnél alkalmaztam.

4.1. Az amaránt szár aprítása Az amaránt szár körülbelül 1 méteres darabokban állt a rendelkezésemre, így a szemcseméret csökkentésére aprítógépet alkalmaztam.

12. ábra: Az amaránt szár aprítás előtt

24

A használt berendezés a függőleges tengelyű vágómalom volt. Ezt az aprítógépet különböző szitanyílásokkal lehet üzemeltetni, ezek közül a 8 mm-es, 4 mm-es és 2 mm-es szitával dolgoztam, egymás után három lépcsőben. Az így kapott három különböző szemcseméretű aprítékot összeállított szitasoron vizsgáltam. Ezt a következő táblázatok és diagramok szemléltetik. 7. táblázat: Függőleges tengelyű vágómalommal első lépcsőben kapott apríték szemcseméret-eloszlása (8 mm-es szitabetét) Δmi [%] F(x) [%]

xi [mm]

mi [g]

6-8

24,4

2,74

100,00

4-6

155,0

17,43

97,26

2-4

326,4

36,71

79,83

1-2

267,4

30,08

43,12

0-1

115,9

13,04

13,04

Σ 889,1

13. ábra: 8 mm-es szitabetéttel aprítva

8. táblázat: Függőleges tengelyű vágómalommal második lépcsőben kapott apríték szemcseméret-eloszlása (4 mm-es szitabetét) Δmi [%] F(x) [%]

xi [mm]

mi [g]

2,5-4

65,8

17,05

100,00

2-2,5

74,2

19,22

82,95

1-2

159,9

41,43

63,73

0,5-1

61,0

15,80

22,30

0-0,5

25,1

6,50

6,50

Σ 386,0


25

9. táblázat: Függőleges tengelyű vágómalommal harmadik lépcsőben kapott apríték szemcseméreteloszlása (2 mm-es szitabetét) Δmi [%] F(x) [%]

xi [mm]

mi [g]

1,6-2

4,0

1,35

100,00

1-1,6

88,9

30,17

98,65

0,5-1

134,4

45,61

68,48

0,315-0,5

39,0

13,23

22,87

0-0,315

28,4

9,64

9,64

Σ 294,7


16. ábra: A három különböző szemcseméretű apríték eloszlásfüggvénye

26

4.2. Nedvességtartalom-mérés A darabosításhoz szükségem volt a nedvességtartalom ismeretére, hiszen igen fontos befolyásoló tényező ezeknél az eljárásoknál. A nedvességtartalom meghatározásához a három különböző szemcseméretű aprítékból 2-2 mintát vettem, üveg edényben fedő nélkül 90 percig 105˚C-on szárítottam. Ezután 15 percre exikátorba helyeztem az edényt fedővel együtt. Majd a lemért tömegekből visszaszámoltam a tömegveszteséget, amelyből adódott a nedvességtartalom. 10. táblázat: A háromféle apríték nedvességtartalom-mérése Üres edény tömege

x<8 mm

1. minta

1. x<4 mm

(szárítás előtt)

(szárítás után)

124,78 g

124,28 g

Amaránt tömege (szárítás előtt)

5,36 g

Szárítás utáni

Nedvesség-

tömegveszteség

tartalom

0,50 g

9,3284 %

Átlagos nedvességtartalom

9,26825 % 2. minta

minta

108,43 g

113,86 g

113,36 g

5,43 g

0,50 g

9,2081 %

42,34 g

45,54 g

45,25 g

3,20 g

0,29 g

9,0625 % 9,0910 %

2. minta 1.

x<2 mm

119,42 g

Edény+amaránt Edény+amaránt

minta

41,47 g

44,65 g

44,36 g

3,18 g

0,29 g

9,1195 %

38,43 g

40,87 g

40,67 g

2,44 g

0,20 g

8,1967 % 8,2374 %

2. minta

37,46 g

40,48 g

40,23 g

3,02 g

0,25 g

8,2781 %

A kapott nedvességtartalom a szakirodalom és az intézet korábbi vizsgálatai során megállapított optimális tartományban van.

4.3. Brikettálás Az amaránt szár nagy része további előkészületet nem igényelt, így lehetett brikettálni. Kiindulási nedvességtartalmúnak (n) a 9%-os amaránt szárat vettem alapul, a kisebb nedvességtartalomhoz (7%) szárítottam az aprítékot, a magasabbhoz (11%, 13%, 15%) pedig nedvesítettem, így öt különböző nedvességtartalmú amaránt szárat vizsgáltam. Minden tablettához 5 grammot mértem be. Különböző préselési nyomást (50 MPa, 100 MPa, 150 MPa, 200 MPa, 250 MPa) és hőmérsékletet (20°C, 80°C, 100°C) is alkalmaz27

tam. A tablettákon az adott préselési nyomást 3 másodpercig tartottam. A présdugattyú sebessége átlagosan 20 mm/s volt. A készített briketteket az alábbi táblázat mutatja be: 11. táblázat: A készített tabletták adatai Szemcseméret

Nedvességtartalom Hőmérséklet

Nyomás

Darabszám

8 mm alatt

9%

20°C

50…250 MPa

5-5

8 mm alatt

9%

80°C

50…250 MPa

5-5

4 mm alatt

9%

20°C

50…250 MPa

5-5

4 mm alatt

9%

80°C

50…250 MPa

5-5

2 mm alatt

9%

20°C

50…250 MPa

5-5

2 mm alatt

9%

80°C

50…250 MPa

5-5

4 mm alatt

7%

80°C

150 MPa

5

4 mm alatt

11%

80°C

150 MPa

5

4 mm alatt

13%

80°C

150 MPa

5

4 mm alatt

15%

80°C

150 MPa

5

4 mm alatt (6 sec)

9%

80°C

150 MPa

3

4 mm alatt (6 sec)

9%

100°C

150 MPa

3

4 mm alatt (3 sec)

9%

100°C

150 MPa

3

17. ábra: Megfelelőnek minősített brikettek (x < 4 mm, 9 % nedvesség, 80°C, 150 MPa)

28

18. ábra: Hibás brikettek (x < 4 mm, 15 % nedvesség, 80°C, 150 MPa) A tabletták átmérőjéből, magasságából és tömegéből kiszámoltam a testsűrűségeket. Ezek átlagát a 12. és a 14. táblázat tartalmazza. 12. táblázat: A szobahőmérsékleten készített tabletták átlagos sűrűsége 20°C

Sűrűség [g/cm3]

9% nedvességtartalom Nyomás [MPa]

x<8mm

x<4mm

x<2mm

50

0,679613

0,695156

0,706011

100

0,803232

0,833161

0,825628

150

0,892871

0,897461

0,893438

200

0,917172

0,915179

0,904997

250

0,974535

0,930395

0,913557

29

19. ábra: 20°C-on készült, 9% nedvességtartalmú brikettek átlagos sűrűsége A diagramból egyértelműen leolvasható, hogy mind a három vizsgált szemcseméretnél a préselési nyomás növelésével nagyobb tablettasűrűséget érhetünk el. A kísérleti dugattyús préshez tartozó számítógépes adatrögzítő rendszer és a hozzá tartozó program segítségével megkaptam az egyes mérésekhez tartozó adatsorokat, amelyek kiértékeléséből számítani tudtam a fajlagos munkát. A számolt eredményeket a 13-1517. táblázat mutatja be.

30

13. táblázat: A szobahőmérsékleten készített tabletták átlagos fajlagos munkája 20°C Fajlagos munka [J/g]


x<8mm x<4mm

x<2mm

50

17,64

14,93

14,41

100

21,57

21,11

19,64

150

28,12

27,05

25,20

200

32,81

31,59

30,28

250

36,76

36,94

35,59

20. ábra: A 20°C-on készített tabletták sűrűsége a fajlagos munka függvényében A diagramból láthatjuk, hogy mind a három különböző szemcseméret esetében minél nagyobb a befektetett munka, annál nagyobb tablettasűrűséget érhetünk el.

31

14. táblázat: A 80°C-on készített tabletták átlagos sűrűsége 80°C

Sűrűség [g/cm3]


x<8mm

x<4mm

x<2mm

50

0,821612

0,784662

0,834250

100

0,844621

0,865082

0,891644

150

0,853238

0,902264

0,903227

200

0,909166

0,897370

0,942396

250

0,944848

0,980530

0,943997

21. ábra: 80°C-on készült, 9% nedvességtartalmú brikettek átlagos sűrűsége Ebből a diagramból is leolvasható, hogy a nagyobb préselési nyomás nagyobb testsűrűséget eredményez. A 20°C-on és a 80°C-on készített tabletták átlagos testsűrűségét összehasonlítva észre vehető, hogy a hőmérséklet növelésével a brikettek testsűrűségnövelése érhető el. 32

15. táblázat: A 80°C-on készített tabletták átlagos fajlagos munkája 80°C Fajlagos munka [J/g]


x<8mm

x<4mm

x<2mm

50

11,18

10,52

10,28

100

13,56

15,33

13,17

150

17,33

18,70

15,54

200

23,29

21,96

21,20

250

27,76

26,34

25,93

22. ábra: A 80°C-on készített tabletták sűrűsége a fajlagos munka függvényében

33

Az ingadozások ellenére ennél a diagramnál is megfigyelhető, hogy a befektetett munka növelése nagyobb testsűrűséget eredményez. Az egyes szemcseméreteknél megfigyelhető kitérések vélhetően a hőmérséklet növeléséből származnak. Az addigi eredmények alapján a 4 mm alatti szemcseméretű aprítékot választottam ki további vizsgálatokra. Ezen mérések során vizsgáltam a nedvességtartalom hatását is a készített brikettek minőségére. További kísérleteket végeztem magasabb préselési hatásidővel (6 sec), valamint még magasabb hőmérséklettel (100°C) is. A különböző nedvességtartalmú, préselési hatásidejű és magasabb hőmérsékletű brikettek átlagos testsűrűségét az alábbi táblázat mutatja be.

16. táblázat: A különböző nedvességtartalommal, préselési hatásidővel és magasabb hőmérséklettel készített tabletták átlagos sűrűsége 150 MPa

Sűrűség [g/cm3]

4 mm alatt; 7% nedv.; 80°C

0,928207


0,902264


0,884916


0,810965


0,639509

4 mm alatt; 9% nedv.; 3 sec; 100°C

0,836773


0,899238


0,921871

A fenti táblázatból kiolvasható, hogy a tovább növelt hőmérséklet kisebb, ezzel szemben a meghosszabbított préselési hatásidő nagyobb testsűrűséget eredményez. Ugyanakkor a két paraméter együttes növelésekor a tabletták testsűrűsége kisebb lett.

34

23. ábra: A brikettek sűrűsége a nedvességtartalom függvényében A diagram alapján megállapíthatjuk, hogy a magasabb nedvességtartalom negatív hatással van a tabletták testsűrűségére. Bár a 7%-os nedvességtartalmú brikettek magasabb testsűrűséggel rendelkeztek, mégsem azt véltem a legjobb minőségűnek, mert a túl alacsony nedvességtartalom miatt a tabletták felülete morzsolódott. Így a 9%-os nedvességtartalmú tablettákat minősítettem a legkedvezőbbnek, ami költséghatékonyság szempontjából előnyösnek mutatkozik, mert nem szükséges nedvességtartalom-változtatás, ami további energia-befektetést igényelne.

35

17. táblázat: A különböző nedvességtartalommal és tartózkodási idővel készített tabletták átlagos fajlagos munkája 150 MPa

Fajlagos munka [J/g]


22,72


18,70


18,18


16,58


11,12


16,80


17,15


18,60

A fenti táblázat alapján megállapítható, hogy mind a hőmérséklet, mind a préselési hatásidő növelésekor a fajlagos munka egyértelmű csökkenést mutat.

24. ábra: A tabletták fajlagos munkája a nedvességtartalom függvényében 36

A fenti diagramból kiolvasható, hogy a nedvességtartalom növelésével a fajlagos munka értéke csökkenést mutat.

5. Kísérletek a félüzemi síkmatricás pelletpréssel A készített brikettek alapján legjobbnak ítélt nedvességtartalommal (9%) és szemcsemérettel (x < 4 mm) dolgoztam tovább. Kísérleteket végeztem gőz hozzáadásával és gőz nélkül, valamint kenőanyaggal és kenőanyag nélkül. A vizsgálatokat gőz és kenőanyag hozzáadása nélkül kezdtem, de így nem tudtam terméket előállítani, mert a túl magas súrlódási erő hatására nem tudott pellet keletkezni, és a magas hőmérséklet miatt besült a gépbe. A 4 mm-nél kisebb szemcseméretű amaránt szár aprítékához 5%-nyi kenőanyagot kevertem. Így a gyártás során gőz hozzáadásával tudtam terméket produkálni. A kenőanyag-tartalom minimalizálása érdekében kísérletet végeztem 2,5% és 1,5% valamint 0,5%-nyi kenőanyaggal. 0,5%-nál kisebb kenőanyag-tartalmat már nem vizsgáltam homogenizálási és besülési problémák elkerülése miatt. Az elkészült pelleteket egy 8 mm lyukátmérőjű szitán elemeztem, hogy megállapíthassam a szita alsó és felső termékének arányát, amiből következtetni lehet a termelés hatékonyságára (minél több a szitán fennmaradó termék, annál jobb pelletek keletkeznek). Ezek eredményei: 18. táblázat: A 8 mm-nél nagyobb (teljes) pelletek aránya a kenőanyag-tartalom függvényében Kenőanyag-tartalom

x > 8 mm

5%

29,3%

2,5%

38,3%

1,5%

51,1%

0,5%

68,7%

37

25. ábra: A 8 mm-nél nagyobb pelletek aránya a kenőanyag-tartalom függvényében Az eredményül kapott adatok alapján elmondható, hogy kisebb kenőanyagtartalommal több jó minőségű pellet gyártható le.

26. ábra: Legjobbnak minősített pelletek (0,5% kenőanyag-tartalom) 38

27. ábra: Legrosszabbnak minősített pelletek (5% kenőanyag-tartalom)

A pelleteknél kiválasztottam 10-10 darabot, tömegük, átmérőjük és magasságuk alapján számoltam a testsűrűségüket. Ezek átlaga a következő táblázatban látható. 19. táblázat: A készített pelletek átlagos sűrűsége Kenőanyag-

Sűrűség

tartalom [%]

[g/cm3]

5

1,0902

2,5

1,0717

1,5

1,0745

0,5

1,1316

39

28. ábra: A pelletek átlagos sűrűsége a kenőanyag-tartalom függvényében A fenti diagramból látható, hogy alacsony kenőanyag-tartalom mellett érhető el a legnagyobb testsűrűség. Az 5%-os kenőanyag-tartalomnál bekövetkező testsűrűségnövekedés valószínűleg annak tudható be, hogy a bekeverés során a nagyobb mennyiségű kenőanyag-tartalom jobban be tudott szívódni az amaránt szárának szemcséibe.

40

6. Összegzés Munkám célja az volt, hogy az amaránt szárának energetikai felhasználhatóságát vizsgáljam. A vizsgálataim eredményeképpen megállapítható, hogy az amaránt szárából megfelelő előkészítést követően lehet gyártani kísérleti tablettákat és pelletet. Nagy mennyiségű vizsgálatot végeztem a kísérleti dugattyús préssel, meghatároztam az amaránt szár brikettálhatóságát különböző nyomásokon, hőmérsékleteken, nedvességtartalmakon, valamint préselési hatásidőkön. Vizsgáltam a brikettálás szempontjából optimális szemcseméretet is. A tablettázás során feltártam a brikettálhatóságra vonatkozó legfontosabb összefüggéseket (préselési nyomás – tablettasűrűség, nedvességtartalom – tablettasűrűség, fajlagos munka – tablettasűrűség, fajlagos munka - nedvességtartalom). A kiválasztott optimális paramétereket alkalmazva különböző kenőanyagtartalmakkal félüzemi vizsgálatokat végeztem a síkmatricás pelletálóval. Megállapítások: A kísérleti dugattyús prés használatakor nagyobb tablettasűrűség érhető el:  a préselési nyomás,  a befektetett munka,  a hőmérséklet,  a préselési hatásidő növelésével, valamint  a nedvességtartalom csökkentésével. A félüzemi síkmatricás pelletprésnél kulcsfontosságú szerepe van a kenőanyagnak (kenőanyag nélkül besül a gépbe az apríték, túl sok kenőanyagnál pedig szétesik a pellet). A vizsgálatok során kiderült, hogy a pelletek testsűrűsége nagyobb lett mint a kísérleti tablettáké. Továbblépési lehetőségek: A vizsgálataim eredményeit alapul véve további kísérleteket lehet végezni egy lehetséges technológia létrehozásához. Az ipari méretekben történő gyártásnál fontos szerepe van a gazdaságosságnak. Ennek érdekében kísérleteket lehet végezni különböző aprítógépekkel, pelletálókkal. Az energetikai vizsgálatokhoz tüzeléstani sajátságok meghatározása szükséges (pl. fűtőérték, hamutartalom stb.). Továbbá vizsgálható az amaránt szárának más másodnyersanyagokkal, melléktermékekkel való keverése, amely eredményeként lehetőség nyílhat a kapott termékek paramétereinek javítására (pl. sűrűség, fűtőérték stb.).

41

7. Irodalomjegyzék [1] Környezetvédelmi és Vízügyi Minisztérium Hulladékgazdálkodási és Technológiai Főosztály - A hulladékgazdálkodás általános kérdései, alapelvei; Hulladékgazdálkodási Szakmai Füzetek 1. - Budapest, 2003. május [2] Bai Attila – Lakner Zoltán – Marosvölgyi Béla – Nábrándi András: A biomassza felhasználása; Szaktudás Kiadó Ház, Budapest 2002. [3] http://www.minap.hu/news.php?extend.51322.2 Letöltve: 2012. június 26. [4] Prof. Dr. habil. Csőke Barnabás: Aprítás és darabosítás; Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet, Miskolc 2005. [5] http://lugositoreceptek.blogter.hu/249116/az_amarant_mag_mint_elelmiszer Letöltve: 2012. június 26. [6] Megújuló mezőgazdaság; Tanulmányok a zöldenergia termeléséről és hasznosításáról gazdálkodóknak; Magyar Katolikus Rádió, 2008. [7]

Nagy

Sándor:

Biomassza

agglomerálási

lehetőségei;

Miskolci

Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet, Miskolc 2009.

42

Egyetem,

Nagy Sándor tanszéki mérnök

Recommend Documents