14.10.2011 | 08:10
Autor:
Kategorie:
Štítky:

Rozdružování rostlin pro výrobu tepla

Rostlinná biomasa je v technické praxi stále častěji využívána pro výrobu tepla. Její zdroje jsou k dispozici v souvislosti s údržbou krajiny, veřejných prostranství a nakládání s odpady. Často jsou rostliny pěstovány cíleně k energetickým účelům. V případě nakládání s větším množstvím surovin je vhodné a často nutné materiál rozdružit (dezintegrovat) na menší částice. Rozdružený materiál lze efektivněji dopravovat, manipulovat, ale též sušit a skladovat.

V praxi jsou pro dezintegraci rostlinné biomasy na bázi dřevin nejčastěji používány štěpkovače a drtiče. Při dezintegraci rostlinných surovin na bázi bylin jsou nejvíce používaným zařízením řezačky. Při dezintegraci na malé částice (tzv. jemné dezintegraci), například při přípravě směsí před lisováním tuhých biopaliv, se nejčastěji používají drtiče, nebo speciální štěpkovače. Tato zařízení jsou někdy označována jako dodrcovače.

Technická řešení dezintegrace rostlinných surovin
Dezintegrace je energeticky poměrně náročná operace. Z toho důvodu je vhodné spojit ji s jinými operacemi. Typickým příkladem takového spojení je sklizeň rostlin sklízecí řezačkou. Při přejezdu konvenční sklízecí řezačky sklízeným porostem je oddělena sklízená část rostliny, dopravena do řezacího ústrojí, kde proběhne její dezintegrace, a vzniklá řezanka je dopravena do dopravního prostředku. Sklízecí řezačka tedy integruje operaci sklizně dezintegrace a manipulace. Takový postup je vhodný z hlediska energetického, logistického i technologického. Podobným způsobem je výhodné dezintegraci provádět ve spojení s jinými operacemi (údržba a likvidace porostů, doprava, skladování, homogenizace směsi atd.).

Řezačky

Při zpracování nedřevnatých rostlinných surovin jsou nejčastěji využívanými stroji řezačky. V podmínkách ČR jsou využívány ve formě mobilních sklízecích zařízení i ve stacionární formě. Konstrukční provedení řezacího ústrojí má několik alternativ. Nejčastěji používané způsoby jsou:
– bubnové řezací ústrojí,
– kolové řezací ústrojí,
– cepové sklízeče.
Stacionární formy řezaček jsou používány méně často. Nejčastěji jsou koncipovány jako součást linky, kde je nutné rozdružit volně loženou nebo balíkovanou nedřevnatou rostlinnou hmotu.
Nejběžnější forma je využívání řezaček v mobilní formě jako sklízecích řezaček.
Sklizeň pomocí sklízecí řezačky probíhá jednofázově, nebo ve druhé fázi po předchozí sklizni semen sklízecí mlátičkou. Při jednofázové sklizni je porost posečen pomocí žacího válu nebo adaptéru, který je při dvoufázové sklizni zpravidla nahrazen sběracím mechanismem. Následně je materiál dopraven pomocí vkládacího mechanismu do řezacího ústrojí.
Při zpracování rostlinné biomasy řezačkou je rovina řezu vedena zpravidla kolmo na osu stébla (směr podávání). Nařezaný materiál si ponechává trubkový charakter. Nařezaný materiál je pomocí metače a ventilačního účinku řezacího mechanismu dopravován do dopravního prostředku.
Spotřeba energie je závislá na délce nařezaných částic, mechanických vlastnostech řezaného materiálu a opotřebení řezacích segmentů. Agrotechnické požadavky pro mobilní sklízecí řezačky uvažují tři výkonnostní třídy podle rozmezí hmotnostního toku materiálu (do 10 kg/s, 10–25 kg/s a více). Podle délky řezanky a množství řezaného materiálu se spotřeba energie vyjádřená v měrné spotřebě motorové nafty pohybuje v rozmezí 15–25 l/ha. Délka výstupní řezanky je 20–120 mm. Spotřebu energie při sklizni bylin samojízdnou sklízecí řezačkou udává odborná literatura v rozmezí 68,9 MJ/t až 164,2 MJ/t.
V současnosti jsou nejčastěji využívány sklízecí řezačky s bubnovým řezacím ústrojím ve výkonnostní třídě nad 25 kg/s. Výrobci udávají hmotnostní průtok při zpracovávání mokrého materiálu, tedy při obsahu sušiny kolem 40 %. Při sklizni suchých bylin dosahují současné sklízecí řezačky hmotnostní průtok hmoty do 10 kg/s. Z hlediska začlenění sklízecích řezaček do technologického postupu sklizně je výhodou univerzálnost nasazení pro různé suroviny a vyřešený způsob manipulace s výstupním materiálem ve formě řezanky. Nasazení návěsné sklízecí řezačky je efektivní u porostů s výnosem mokré hmoty 15 až 50 t/ha s výškou porostu 150 až 1500 mm. Samojízdné řezačky jsou efektivnější při vyšších výnosech. Výška sklízeného porostu může dosahovat až 3,5 m. U samojízdných typů řezaček je nevýhodou vysoká pořizovací cena, která vyžaduje vysoké využití během roku.

Štěpkovače

Na rozdíl od sklízecích řezaček jsou štěpkovače používány výhradně k dezintegraci rostlinné biomasy na bázi dřevin.
Dezintegrace je nutnou součástí většiny technologických postupů zpracování dřevnaté biomasy. Typickým příkladem je výroba dřevní štěpky jako paliva. Obsah sušiny v dřevnaté biomase je v průběhu sklizně nízký (asi 50 %). Začlenění desintegrace do sklizňových postupů je výhodné z hlediska energetického, logistického i technologického.
V průběhu sklizně jsou používány mobilní formy štěpkovačů. V ČR jsou nejoblíbenější a také nejčastěji používané mobilní nesamojízdné štěpkovače integrované k energetickému prostředku, nejčastěji traktoru nebo nosiči nářadí odpovídající výkonové třídy. Zařízení mohou být vybavena i vlastním energetickým zdrojem, kterým je spalovací motor, nebo elektromotor. Spalovací motor je vhodnější při převažující práci v terénu. Potřebný příkon mobilních štěpkovačů využitelných při technologickém postupu sklizně zemědělských a lesních surovin se pohybuje v desítkách kW. Nesamojízdné mobilní (označované též jako semimobilní) štěpkovače jsou konstrukčně řešeny jako přívěsné, návěsné, nebo nesené. Možný je též způsob, kdy má štěpkovač formu kontejnerové nástavby. Další způsob začlenění štěpkovačů do postupu sklizně je jejich využití jako samostatných sklízecích strojů. Sklízecí štěpkovače jsou řešeny jako upravené sklízecí řezačky vybavené adaptérem nebo jako harvestory, případně vyvážecí soupravy, vybavené štěpkovacím zařízením.
Stacionární štěpkovače jsou využívány při štěpkování většího množství surovin. Stacionární štěpkovače mají vlastní pohon. Výkon energetického zdroje se pohybuje od 10 do 100 kW.
Velikost naštěpkovaných částic, v závislosti na dalším využívání, se nejčastěji pohybuje od 8 mm do 20 cm. Energie spotřebovaná na štěpkování závisí výrazně na stupni dezintegrace, fyzikálních vlastnostech štěpkovaného materiálu (obsah vody, hustota atd.) a typu štěpkovače. Pohybuje se na úrovni 100 kWh/t.
Nejčastěji používanými typy štěpkovacího ústrojí jsou:
– kolové,
– bubnové,
– šnekové.
Výhodou většiny štěpkovačů je možnost nastavit velikost výstupních částic. Ta je stejnoměrná, obvykle s převažujícím podílem delších částic. Nevýhodou štěpkovačů je vysoká citlivost na cizorodé předměty a omezená velikost minimálního rozměru výstupních částic.

Drtiče

Drtiče jsou při zpracování rostlinné biomasy používány v případech, kdy nejsou kladeny přísné požadavky na velikost výstupních částic. Při činnosti drtičů dochází ke kombinaci několika druhů namáhání drceného materiálu. Podle druhu drticího zařízení převládají při drcení nárazy, lom a roztírání.
Zpravidla se používají mobilní nesamojízdné formy drtičů, které jsou osazeny vlastním motorem. Mají návěsnou nebo přívěsnou formu. Spotřeba energie je vyšší než u štěpkovačů.
Při sklizni dřevnaté biomasy lze využít drticí ústrojí:
– kladivové,
– válcové,
– nožové, segmentové.
Drtiče jsou v porovnání se štěpkovači méně náchylné k poškození pracovního ústrojí vlivem cizorodých předmětů, ale mají větší spotřebu energie a nerovnoměrnost velikosti výstupních částic.
Drtiče používané pro jemnou dezintegraci rostlinných surovin mají většinou kladívkové drticí ústrojí. Energetická náročnost jemné dezintegrace pomocí drtiče se pohybuje od 10 do 300 kWh/t. Závisí na stupni dezintegrace, fyzikálních vlastnostech materiálu (např. obsah vody, houževnatost, tvrdost) a vlastnostech dezintegračního zařízení.

Vlastnosti rozdružených surovin
Z fyzikálního hlediska jsou všechny rozdružené rostlinné suroviny partikulární látky, tedy směs pevných částic v tekutině (většinou vzduchu). Partikulární látky jsou označovány také výstižnějším a více českým názvem sypké hmoty (látky). Za předpokladu, že ideální partikulární látka má úhel vnějšího tření 30°, patří naprostá většina dezintegrovaných rostlinných surovin do skupiny partikulárních látek s úhlem vnějšího tření vyšším než 30°. Tato skutečnost znamená horší tokové vlastnosti hmoty, a tedy zvýšené nároky na konstrukci dopravních, manipulačních a skladovacích zařízení.
Další nevýhodou surovin na bázi rostlinné biomasy je fakt, že mění své fyzikální vlastnosti v závislosti na parametrech okolí; zejména v závislosti na vlhkosti a teplotě vzduchu. To má důležitý vliv na způsob provedení technologických zařízení. Suroviny s vyšším obsahem vody mají horší tokové vlastnosti, snadněji podléhají biodegradabilním procesům, čímž se snižuje jejich hodnota z hlediska energetického využití, ale hlavně se významně mění jejich mechanické vlastnosti. To má při skladování, manipulaci a dopravě zásadní význam.
Vedle vlhkosti a velikosti částic má významný vliv na vlastnosti i tvar částic. Tvar částic je vedle vlastností vstupních surovin zásadním způsobem ovlivněn typem použitého dezintegračního zařízení. Typy zařízení, při jejichž funkci je převažujícím druhem namáhání řez (štěpkovače, řezačky), produkují částice jiného tvaru než většina používaných typů drtičů. V praxi tento fakt může mít za následek, že zásobník nebo dopravník konstruovaný pro dřevní štěpku může být nefunkční pro drť o stejné velikosti částic.
Na grafech jsou znázorněny výsledky sítových analýz rostlinných surovin zpracovaných pomocí sklízecí řezačky, štěpkovače a drtiče.
Z uvedených obrázků je patrné, že u řezačky a štěpkovače převládá podíl částic o větší velikosti, než je nastavená střední délka výstupní částice. Naopak při použití drtiče výrazně převládá podíl částic menších, než je velikost otvorů síta. S tímto faktem souvisí i vyšší stupeň rozmělnění, a tedy vyšší měrná energie spotřebovaná na drcení.

Závěr

Problematika dezintegrace je velmi široká. Každá skupina materiálů a dezintegračních zařízení má specifické vlastnosti. Každá oblast průmyslové nebo zemědělské výroby ukrývá svá úskalí, která jsou často detekovatelná a řešitelná pouze v praktických provozních podmínkách.
Problematika využití řezaček je propracovaná zejména pro oblast zemědělské výroby, kde řezačky nacházejí uplatnění jako sklizňové stroje, při výrobě krmiv atd. Jejich využití při energetickém využívání rostlinných surovin je též velmi významné například při rozdružování balíků, krácení přírodních vláken, sklizeň rostlin pro bioplynové stanice atd.
Nejčastěji řešený problém při pořizování a používání dezintegračního zařízení pro zpracování rostlinné biomasy je volba mezi drtičem a štěpkovačem. Hlavní zásada vychází z technického řešení zařízení.
Štěpkovač, stejně jako řezačka, při své činnosti jako hlavní druh namáhání využívá střih. Štěpkovač je používán pro dezintegraci tvrdých, tedy zpravidla dřevnatých rostlin. Je velmi citlivý na otupení pracovních orgánů. Otupení štěpkovacích nožů nebo protiostří má za následek zvýšené energetické nároky (vyšší spotřeba PHM nebo elektřiny) a nadměrné namáhání všech funkčních součástí. Volba štěpkovače je opodstatněná v případech, kdy vstupní materiál není znečištěn cizorodými předměty, pískem, zeminou atd. Štěpkovač je vhodné využívat v případech, kdy jsou kladeny zvýšené nároky na velikost výstupních částic. Typické využití štěpkovače je při štěpkování dřeva pro výrobu biopaliv.
Drtič je méně citlivý na přítomnost cizorodých předmětů. Na drcené částice v průběhu pracovní operace působí více druhů namáhání, mezi kterými převládá lom, roztírání a nárazy. Velikost výstupních částic je nerovnoměrná, ale drtič může zpracovat širší škálu dřevnatého i nedřevnatého materiálu a je méně citlivý na jeho znečištění. Vhodné využití drtiče je při zpracování širší škály rostlinných zbytků například pro přípravu kompostovaní zakládky.
Při pořizování drtiče nebo štěpkovače je nutné znát vlastnosti vstupních surovin, potřebné parametry výstupního materiálu, způsob jeho dalšího využití a plánované vytížení v průběhu roku. Na základě těchto podkladů je potřeba uvážit, zda řešit dezintegraci materiálu koupí vhodného drtiče, štěpkovače nebo formou služeb.
Příspěvek vznikl v rámci řešení výzkumného záměru MZE 0002703102 „Výzkum efektivního využití technologických systémů pro setrvalé hospodaření a využívání přírodních zdrojů ve specifických podmínkách českého zemědělství“.

 

Klíčové informace

– Správná, či nesprávná volba rozdružovacího zařízení se vždy promítá do exploatačních vlastností a energetické a ekonomické náročnosti desintegrace.
– Technické řešení desintegrace rostlinné biomasy není zpravidla nijak obtížné, ale jeho správnost je velmi důležitá z hlediska efektivity vložených finančních prostředků. 
– Správné řešení může být velmi úsporné, oproti tomu nevhodné řešení může mít za následek vložení investičních prostředků do zařízení, které je nevhodné a v daném případě zpracování surovin jej lze použít pouze omezeně. Návratnost investičních prostředků je pak neúměrně dlouhá.

 

Poděkování
Děkuji za spolupráci podnikům ZAS Bečváry, a. s., Tůma CZ, s. r. o., a dalším při získávání podkladů pro vznik tohoto příspěvku
.

Použitá literatura je k dispozici u autora příspěvkuIng. Jiří Souček, Ph.D., Výzkumný ústav zemědělské techniky, v. v. i., Praha

Napsat komentář

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

deník / newsletter

Odesláním souhlasíte se zpracováním osobních údajů za účelem zasílání obchodních sdělení.
Copyright © 2022 ČTK. Profi Press, s.r.o. využívá zpravodajství z databází ČTK, jejichž obsah je chráněn autorským zákonem. Přepis, šíření či další zpřístupňování tohoto obsahu či jeho části veřejnosti, a to jakýmkoliv způsobem, je bez předchozího souhlasu ČTK výslovně zakázáno.
crossmenuchevron-down