Brikety z energetických bylin

Abstrakt:

Cílem práce je zjištění a vyhodnocení, které energetické rostliny se nejlépe lisují, a které se lisují obtížněji. Následuje vyhodnocení mechanických vlastností sedmi druhů energetických rostlin a zjištění mechanických parametrů, které mají vliv na lisování. Mezi vyhodnocené mechanické vlastnosti patří hustota briket a síla, která je potřebná na porušení briket. Zkoumané energetické rostliny jsou: Sorghum Vulgare, Phalaroides Arundinacea, Crambe Abyssinica, Fectusa Pragensia, Camelina Sativa, Miscanthus Sinensis, Carthamus Tinctorius. Tyto rostliny jsou před lisováním desintegrovány na šrotovníku. Velikost frakce je udána velikostí ok síta, kruhového průřezu o průměru 15 mm. Veškeré rostliny mají neměnnou vlhkost během měření a jednotný průměr výstupních briket o průměru 65 mm. Vlhkosti jsou: Sorghum Vulgare = 10,95 %, Phalaroides Arundinacea = 11,40 %, Crambe Abyssinica = 15,97 %, Fectusa Pragensia = 10,66 %, Camelina Sativa = 15,37 %, Miscanthus Sinensis = 9,97 %, Carthamus Tinctorius = 15,54 %.

Abstract:

The aim of the research work is to find out and to evaluate the best and the most difficult pressing energy crops. It follows evaluation mechanical properties of seven energy crop species and mechanical parameters findings that have influence on pressing. Among evaluated mechanical properties belong briquette density and force that are needed on failure of briquette. Researched energy crops are: Sorghum Vulgare, Phalaroides Arundinacea, Crambe Abyssinica, Fectusa Pragensia, Camelina Sativa, Miscanthus Sinensis, Carthamus Tinctorius. These crops are (before pressing) desintegrated in the grinder. The fraction size is given size of the sieve eyes - circled cross section about 15 mm diameter. All crops have unchanged moisture during measurement and uniformed outgoing briquette diameter about 65 mm. The moisture are: Sorghum Vulgare = 10,95 %, Phalaroides Arundinacea = 11,40 %, Crambe Abyssinica = 15,97 %, Fectusa Pragensia = 10,66 %, Camelina Sativa = 15,37 %, Miscanthus Sinensis = 9,97 %, Carthamus Tinctorius = 15,54 %.

Keywords: fytomasa, energetické rostliny, briketování, mechanické vlastnosti, zkouška na rozštěp.
Keywords: phyto-mass, energy crops, briquetting, mechanical properties, testing on fissure.

Úvod

Biomasa je souhrnný název pro organickou hmotu v původní přírodní formě vznikající na základě fotosyntézy jímáním a transformací sluneční energie v rostlinách, jako jsou stromy, byliny, trávy, ale i vodní řasy a chaluhy. Z hlediska zpracování a energetického využití se rozlišuje dendromasa a stébelnatá fytomasa. (Sladký, Dvořák, Andert, 2002). Paliva rostlinného původu sloužila lidstvu mnohá tisíciletí jako zdroj tepla a teprve v průběhu posledních dvě stě padesáti let je postupně vytlačila výhřevnější a praktičtější paliva fosilní. Každoroční přírůstky fytomasy na Zemi svým energetickým potenciálem asi desetkrát převyšují současnou energetickou potřebu společnosti, ale obtížnější podmínky získávání a rozmanitost druhů, vlastností a výhřevností i forem brání širšímu a bezprostřednímu používání. Celosvětově se fytopaliva dnes podílejí na krytí energetických potřeb asi 25 až 30 %, v západoevropských státech asi 5 %, v Rakousku a Skandinávii až l5 %. (Sladký, 2002). Literatura, která se zabývá stlačováním vláknitých a obecně porézních materiálů (Blahovec, 1980, Fomin, 1978) velmi často poukazuje na závislost mezi tlakem a objemovou hmotností. Mechanické vlastnosti fytomasy jsou základním předpokladem ke zjištění lisování briket. Slámy z fytomasy jsou z hlediska mechanických vlastností značně složité, porézní a nehomogenní. Průběh tvarování nebo lisování fytomasy je nejvíce ovlivněn její stlačitelností. (Osobov, 1970, Fomin, 1978). Lisování fytomasy do formy briket je jeden z nejzákladnějších druhů lisování. Brikety jsou stlačeny vysokým tlakem do tvaru plného válce, hranolu, nebo se středovým odlehčovacím otvorem o vnějším průměru větším než 40 mm, ale menším než 100 mm, s měrnou objemovou hmotností kolem 1000 kg.m^-3. (Sladký, Dvořák, Andert, 2002). K tvorbě briket dochází při lisování materiálu vhodné zrnitosti, v briketovacím lisu. (Simanov, 1995). Fytomasa, která je zhutněna do kompaktního tvaru - briket, umožňuje lepší manipulaci oproti volně ložené fytomase. Briketovaná fyomasa je dále vhodná pro další technologické operace, kterými jsou: spalování, skladování a přeprava. (Plíštil, 2003). Briketováním lze dosáhnout podstatného zmenšení objemu odpadu, a tím tak zneškodnit odpad jinak obtížně zpracovatelný. Výsledkem briketování je briketa, která má menší objem než původní materiál, a tím se získá vyšší hustoty briket. (Bartoš, 2000). Racionální využití obnovitelných zdrojů energie roste a stává se jednou ze základních podmínek trvale udržitelného rozvoje zemědělství i společnosti. Významnou oblastí je využití zbytkové biomasy. V zemědělství se jedná především o vedlejší produkci rostlinné výroby. (Abraham, 2003).

Metoda

Fytomasa je upravena na desintegrátoru na jemnější frakci, která propadla oky síta kruhového průřezu o velikosti 15 mm. Jedná se o tyto rostliny: Sorghum Vulgare, Phalaroides Arundinacea, Crambe Abyssinica, Fectusa Pragensia, Camelina Sativa, Miscanthus Sinensis, Carthamus Tinctorius. Fytomasa je poté slisována do briket o průměru 65 mm. Lisování je prováděno na briketovacím lisu HLS 50 od firmy Briklis s.r.o. Základním vstupním parametrem je vlhkost, která je důležitá pro lisování fytomasy. Pokud vlhkost přesáhne hranici 20 %, tak se fytomasa v lisovací komoře nezhutní do požadovaného rozměru a briketa se rozpadne. Maximálně se doporučuje vlhkost do 15 % (Plíštil 2003). Vlhkosti fytomasy jsou: Sorghum Vulgare = 10,95 %, Phalaroides Arundinacea = 11,40 %, Crambe Abyssinica = 15,97 %, Fectusa Pragensia = 10,66 %, Camelina Sativa = 15,37 %, Miscanthus Sinensis = 9,97 %, Carthamus Tinctorius = 15,54 %.

Lisovací tlaky si briketovací lis volí v závislosti na vstupu lisovaného materiálu. Velikost lisovacího tlaku závisí na materiálu, který lisujeme, a na jeho vlhkosti, která je po dobu měření neměnná. Výstupní průměr briket je 65 mm. Průměr lisovacího pístu je 140 mm. Pro určité materiály, které se nezhutnily při dosažitelném lisovacím tlaku, musíme použít vyšších lisovacích tlaků. Pokud je briketa z fytomasy více zhutněna, tak síla, která je potřebná na porušení, bude vyšší. Čím více rozdružené fytomasy se dostane do lisovací komory, tím bude briketa delší, a odporem, který vznikne v zúžené části matrice lisování, vznikne vyšší lisovací tlak.

Měření mechanické zkoušky na rozštěp je provedeno podle metody popisované v literatuře (Brožek, 2001) na trhacím univerzálním stroji ZDM 5 t.

Čára, která je rovnoběžná s osou prodloužení, protíná křivku grafického znázornění zkoušky na rozštěp. Udává v jakém prodloužení Δl dojde k porušení celistvosti brikety. Při zkoušce na rozštěp je zkušební těleso stlačováno v jednom směru mezi dvěma rovnoběžnými deskami do stavu, kdy dojde k rozdrcení brikety.

Výsledky

Grafické hodnoty se u jednotlivých druhů energetických bylin pohybují pouze v znázorněných oblastech. Tyto oblasti závisí na druhu lisované hmoty a její vlhkosti. Grafické znázornění závislosti hustoty briket na lisovacím tlaku je zobrazeno na obr. 2. Grafické znázornění závislosti síly porušení na lisovacím tlaku je zobrazeno na obr. 3.

Tab. I. Matematické vyjádření závislosti hustoty briket na lisovacím tlaku

Materiál briket	Rovnice regrese	Koeficient determinace
Sorghum Vulgare	ρ = 17,514 pD + 260,02	R2 = 0,9838
Phalaroides Arundinacea	ρ = 13,542 pD + 210,86	R2 = 0,9684
Crambe Abyssinica	ρ = 37,529 pD - 64,153	R2 = 0,8487
Fectusa Pragensia	ρ = 39,211 pD - 998,25	R2 = 0,9829
Camelina Sativa	ρ = 13,722 pD + 187,61	R2 = 0,9352
Miscanthus Sinensis	ρ = 18,723 pD + 198,65	R2 = 0,9238
Carthamus Tinctorius	ρ = 15,063 pD + 315,53	R2 = 0,9542

Tab. II. Matematické vyjádření závislosti síly porušení na lisovacím tlaku

Materiál briket	Rovnice regrese	Koeficient determinace
Sorghum Vulgare	ρ = 4,0610 pD + 260,02	R2 = 0,9161
Phalaroides Arundinacea	ρ = 3,6051 pD - 81,557	R2 = 0,8833
Crambe Abyssinica	ρ = 37,529 pD - 64,153	R2 = 0,8487
Fectusa Pragensia	ρ = 7,6104 pD - 313,32	R2 = 0,9142
Camelina Sativa	ρ = 7,1674 pD - 260,02	R2 = 0,9426
Miscanthus Sinensis	ρ = 10,52 pD - 279,78	R2 = 0,9365
Carthamus Tinctorius	ρ = 5,3708 pD - 107,71	R2 = 0,9187

Diskuse

V porovnání s literaturou od autora Bartoše, který měřil lisování briket v laboratorních podmínkách, lze usoudit, že nedosáhl tak kvalitního zhutnění fytomasy při lisování stejnými lisovacími tlaky. Toho dosáhl v případě vyšších tlaků, které ovšem zbytečně prodražují lisování. Lisovaná fytomasa v reálném lisu má lepší mechanické parametry než lisovaná fytomasa v laboratorních podmínkách. V laboratořích se pouze zjišťují závislosti mechanických parametrů, aniž by byl brán zřetel na náročnost a efektivitu tohoto výzkumu. Proto je lepší se věnovat měření na reálných briketovacích lisech, které mají již lépe zhotovenou lisovací komoru a jsou díky výzkumu zkonstruovány pro lisování fytomasy.

Z grafů vyplývá, že energetická rostlina Crambe Abyssinica je těžko zhutnitelná, poněvadž byla lisována i se semínky, která obsahovala olej. Ten se při lisování uvolňoval a zabraňoval soudržnosti briket. Pokud tato semínka z rostliny odstraníme, docílíme zabránění vlivu oleje na lisování a slisovaná briketa bude mít lepší mechanické parametry.

Měřená fytomasa má tyto mechanické hodnoty: Sorghum Vulgare: hustota 810-870 kg.m^-3, síla na porušení 45-59 N. Miscanthus Sinensis: hustota 750-850 kg.m^-3, síla na porušení 32-82 N. Fectusa Pragensia: hustota 680-810 kg.m^-3, síla na porušení 11-38 N. Camelina Sativa: hustota 740-800 kg.m^-3, síla na porušení 30-50 N. Carthamus Tinctorius: hustota 710-770 kg.m^-3, síla na porušení 35-55 N. Phalaroides Arundinacea: hustota 630-660 kg.m^-3, síla na porušení 11-28 N. Crambe Abyssinica: hustota 470-580 kg.m^-3, síla na porušení 2-5 N.

Závěr

Z měření topných briket, které se lisovaly z energetických rostlin vyplývá, že nejlepšími lisovanými rostlinami jsou: Sorghum Vulgare a Miscanthus Sinensis. Tyto energetické rostliny jsou nejlépe zhutnitelné, mají vysokou měrnou hustotu a je zapotřebí velké síly na porušení celistvosti briket.

Literatura

1. Abraham Z, Mužík O.: Zbytková biomasa ze zemědělské výroby - bilance a využití, Zpráva o činnosti 2003, s. 79, ISBN 80-903271-4-1.
2. Bartoš, V.: Briketování kovových a nekovových materiálů, Diplomová práce, 2000.
3. Blahovec, J. Řezníček, R.: Frakcionace píce. Monografie, Vysoká škola zemědělská v Praze. Praha 1980, s. 281 - 289.
4. Brožek M.: Briketování nekovového odpadu. In.: Sborník mezinárodní konference XIV Diamatech 2001, Univerzita Radom 2001. s. 84 - 87. ISBN 83-7204-221-7.
5. Fomin, V. I.: Vlažníme frakcionirovanije zeljonych kormov. Rostou n. D., Rostou. Univ. 1978.
6. Osobov, V. I.: Těoretičeskije osnovy uplatněnija voloknistych rastitělnych matěrialov. Trudy VISCHOM, s. 55, 1970.
7. Plíštil, D.: Briquetting of depending on input dampness. Didmattech XVI, 2003, ISBN: 80-7220-150-6, p.: 143-146.
8. Plíštil, D.: Briketování biomasy. In Sborník VUZT: Sborník přednášek z odborného semináře Zemědělská technika a biomasa, VÚZT, 2003, ISBN 80-903271-1-7.
9. Simanov V.: Energetické využívání dříví, Tetrapolis, Olomouc 1995, č.2.
10. Sladký V.: Úpravy kotlů pro spalování biopaliv. Biom.cz, 7.1.2002, https://biom.cz/index.shtml?x=60948.
11. Sladký V, Dvořák J, Andert D.: Obnovitelné zdroje energie - fytopaliva, 2002, s. 25, ISBN 80-238-9952-X.

Tento příspěvek vznikl za finanční podpory grantu č. 31140/1313/313138, s názvem: Automatizované řízení dávkování briketovacího lisu s výstupem na mechanické vlastnosti finálního produktu. "Celouniverzitní interní grantová agentura České zemědělské univerzity v Praze".

Tweet

Novinky z Prodevalu: zkapalňování CO2, Valopur DFM a nová výrobní linka na jihu Francie

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?