A biztonságos és gazdaságos szállítás és tárolás, valamint az erőmûvi tüzelésbeli előnyök miatt célszerû tömöríteni, amelynek egyik formája a pelletálás.
A kukoricaszár pelletek fizikai tulajdonságairól kevés információ található. Ezért laboratóriumi méréseink során, amelyeket az FVM Mezőgazdasági Gépesítési Intézetében végeztünk, különböző nedvességtartalmi értékek, aprítékméretek és matrica furatméretek mellett vizsgáltuk a kukoricaszár pelletek kopási és geometriai tulajdonságait, valamint az anyag- és halmazsûrûséget.
A kötőanyag nélkül készített pelletek térfogattömege 500 és 1000 kg/m3, a koptatószilárdsági (PD) index 87 és 97, a hosszméret 5 és 22 mm között változott. Megállapítottuk, hogy a nedvességtartalom növekedésével csökkent a hosszméret. Az aprítékméret és a matrica furatméret csökkenése általában javította a kopási tulajdonságokat és növelte a sûrûséget. Az anyag átlagos fûtőértéke 10% nedvességtartalomnál 15,5 MJ/kg. Mérési eredményeink alapján elmondható, hogy kukoricaszárból kötőanyag nélkül jó minőségû pelletek készíthetők.
A kukoricaszár nagy mennyiségben keletkező értékes mezőgazdasági melléktermék, melynek egyik hasznosítási lehetősége a tüzelés. E célból a kukoricaszárat célszerû tömöríteni, melynek egyik módja a pelletezés. A tüzipelletek fontos tulajdonsága a kopásállóság, az anyag- és halmazsûrûség, a méretek és a fûtőérték. Jelen írásunkban a kukoricaszárból különböző üzemi paraméterek mellett előállított pelletek ezen tulajdonságainak vizsgálatát és ezek eredményeit mutatjuk be.
1. Vizsgálati anyagok és módszerek
A vizsgálatokban használt leveles kukoricaszárat 2005 őszén takarítottuk be kévésen, majd pajtában tároltuk, így állagát teljesen megőrizve kiszáradhatott.
1.1. Előkészítés
Az előkészítés során a leveles kukoricaszárat stabil szecskavágóval felszecskáztuk, majd egy FRITSCH laboratóriumi gyorsőrlővel 10, 6, 4 és 2 mm-es névleges aprítékméretre daráltuk. Az aprítékot a pelletálás előtt benedvesítettük az előzőleg meghatározott 25, 35 és 45%-os nedvességtartalom értékre. A nedvesített anyagot egy CPM Laboratory Pellet Mill típusú pelletezőgépbe adagoltuk. A gépet minden mérés előtt kitisztítottuk. Az állandósult állapot beálltának az üzemi hőmérséklet elérését tekintettük (matricától függően 50…60°C), ez az indítástól számított fél órán belül megtörtént. Az elkészült pelleteket szárítottuk és hûtöttük, majd kiszitáltuk a port és a törmeléket az előírt lyukméretû szitával, majd neylon tasakokban tároltuk a pelleteket.
1.2. Koptatóvizsgálat
A koptatószilárdság (PD index) meghatározására egy Pfost-Tester vizsgálóberendezést használtunk, amely két koptatódobjával egyszerre 500–500 g tömegû pellet vizsgálatára volt alkalmas. A koptatódobok 300 × 300 × 127 mm méretû, fémből készült üreges hasábok, melynek 300 × 300 mm-es oldallapján egy
228 × 50 × 5 mm méretû hegesztett terelőlap van. A hasáb egyik oldala nyitható, a minta behelyezése és kivétele végett. A koptatódobok forgatása a 300 × 300 mm méretû oldallapra merőleges tengely körül történik 50±3 percenkénti fordulatszámal. A koptatógépet a házi szabvány irányadása szerint 500 fordulat után állítottuk le.
1.3. Sûrûség és méretek meghatározása
Az FVMMGI pellet vizsgálati szabványa szerint az egyes pelletátmérőkhöz meghatározott tömegû pelletminták hosszát és átmérőjét tolómérővel mértük le. Az anyagsûrûség méréséhez a KERN RH 120-3 nedvességmérő mérlegét használtuk.
A térfogatsúly mérését a CEN/TS 15103 szabvány szerint végeztük 3 különböző mérőedénnyel. A mintavételt minden esetben az MSZ 6962-84 szabvány szerint végeztük, mintavevő lapáttal. Az elemi minták készítéséhez, és a minták csökkentéséhez mintaosztót használtunk. A tömegméréseknél a mérendő tömeg nagyságrendje szerint 3 féle mérleget használtunk: PRECISA 30000D, PRECISA 6200D, és a KERN RH 120-3 nedvességmérő mérlegét.
1.4. Fûtőérték mérése
Egy tüzelőanyag fontos jellemzője a fûtőérték. Ezt egy IKA típusú fûtőértékmérő berendezéssel mértük. A kapott értéket korrigálni kellett az anyag hidrogéntartalmával, amit az elemi összetétel-
vizsgálatból kaptunk meg. Az elemi összetétel mérését egy Vario Macro Elementar típusú mérőberendezéssel végeztük. Mindkét mérőberendezés az FVM MGI Energetikai Vizsgáló Laboratóriumában található.
2. Eredmények
A pelletek fizikai-mechanikai tulajdonságai közül vizsgáltuk a koptatószilárdságot, a sûrûséget és a méreteket.
2.1. Kopásállóság
A koptatószilárdság, vagyis a kopással szembeni ellenállás, a PD (= pellet durability) index a pelletek egyik legfontosabb tulajdonsága. Ez jellemzi a szállítás, a tárolás és az egyéb kezelés – pl. rakodás – során fellépő, törmelék- és porképződéssel, egyszóval veszteséggel járó kopással szembeni ellenállást. A koptatóvizsgálat során a Pfost-Testerben mindegyik mintából 500–500 g tömegû elemi mintát vizsgáltunk. A koptatás után kirostáltuk a lekopott törmeléket és port, majd megmértük a koptatott pelletek tömegét. A PD indexet az ASAE S269.4 DEC96 szabvány szerint a következőképpen határoztuk meg:
(3.1)
Amelyben: Q – a koptatás és a törmelék kirostálása után visszamaradó pelletek tömege [g].
A képlet szerint a PD index tulajdonképpen a koptatott minta tömegét adja meg százalékosan a koptatatlanhoz képest. A PD indexet két párhuzamos mérés középértékeként, egy tizedes pontossággal kell megadni. Azonos mintákkal végzett két párhuzamos mérés eredményei között a megengedett legnagyobb eltérés 5% lehet. A következő 2.1. és 2.2. diagramok a különböző pelletminták kopásállóságát mutatják a nedvességtartalom függvényében, a görbéket az őrlemény névleges szemcsemérete paraméterezi.
A pelletek koptatószilárdságát jellemző PD index alapján a következőképpen értékelhetjük.
Ha a PD index értéke
> 90 nagyon jó
85–90 jó
80–85 elfogadható
75–80 gyenge
< 75 nem elfogadható.
Az eredményekből látszik, hogy a pelletek egy kivétellel a „nagyon jó” osztályba sorolhatók. A legkopásállóbb a 25%-os nedvességtartalmú, 2 mm-es aprítékból készült, 6 mm-es átmérőjû pellet, míg a legkevésbé kopásálló a 45%-os nedvességtartalmú, 10 mm-es aprítékból készített, 13 mm átmérőjû pellet. Általában a nagyobb aprítékméretek esetében gyengébbek a nagyobb nedvességtartalmú minták. A 45% nedvességtartalmú aprítékból készült pelletek mindegyik esetben rosszabb minőségûek a 25 és 35%-os nedvességû őrleményekből készítettnél. Az aprítékméret csökkenése nem minden esetben növeli a kopásállóságot, ez a 13 mm átmérőjû pelleteknél megfigyelhető. A nagyobb aprítékméretből készült pelletek esetében a nagyobb nedvességtartalom nagyobb kopást okoz.
2.2. Pellet geometria
A pelletek méretei közül az átmérő kevésbé változékony, hiszen a matrica furat mérete eleve meghatározza. Az átmérőből a kirugózás mértékét lehet megállapítani. A hossz ennél jelentékenyebb adat. A matricából frissen kikerülő pelletek anyagának kohéziója nem mindig elegendő ahhoz, hogy a durva mechanikai hatásoknak ellenálljon. A pellet halmazban levő törmelék nagy része így képződik. A pelletek hossz és az átmérő arányának (l/d viszony) átlagos értéke egy adott pellet halmaz jellemzője, utal a törékenységre is. A pellet- geometriai mérések eredményei a 2.1. és 2.2. táblázatban láthatók. Az eredményekből jól látszik, hogy az átmérő a nedvességtartalom növekedésével nő, ami a kirugózás következménye. A hossz éppen ellenkezőleg, a nedvesség hatására csökken a kisebb kohézió miatt. Az l/d viszonyszámok is ezt tükrözik, hiszen az átmérő növekedése csekély a hossz csökkenéséhez képest. Az aprítékméretnek az átmérőre láthatóan nincs hatása, a hossz tekintetében pedig nem egyértelmû: a 13 mm átmérőjû pelleteknél az aprítékméret növekedésével nő a hossz, a 6 mm-es pelleteknél viszont csökken, és ez tükröződik az l/d viszonyszámokban is. Elmondható tehát, hogy a nedvességtartalom növekedése az átmérőt növeli és a hosszot csökkenti, míg az aprítékméret hatása csak a hosszméretnél jelentkezik, de ott is ellentétes a kétféle pelletátmérő esetében.
2.3. Térfogattömeg
Az anyag- és halmazsûrûség megmutatja az adott tömegû anyag szállítási és tárolási helyigényét. Az anyagsûrûség megadásához szükség volt a térfogatra, amelyet a méretekből határoztunk meg, a tömeget pedig megmértük. A halmazsûrûség, vagy szállítási térfogattömeg méréséhez három különböző, ismert térfogatú és tömegû mérőedényt használtunk. A 2.3. és 2.4. diagramokban az anyag- és halmazsûrûség mérések eredményeit ismertetjük. A legnagyobb anyag- és halmazsûrûséget a 6 mm átmérőjû, 2 mm-es, 25%-os nedvességtartalmú őrleményből, a legalacsonyabb pedig a 13 mm átmérőjû, 10 mm-es, 45%-os nedvességtartalmú aprítékból készült pelleteknél mértük. Az eredményekből látszik, hogy a növekvő nedvességtartalom kisebb anyag- és halmazsûrûséget okoz. Az aprítékméret csökkenésével is nő a sûrûség. Látszik, hogy az anyagsûrûség a 6 mm-es pelleteknél ugyan nagyobb, de a halmazsûrûséget tekintve ez nem minden esetben tapasztalható. Az anyag- és halmazsûrûséget összevetve látszik az is, hogy sok esetben a halmazsûrûség az anyagsûrûségnek csaknem fele. Ez azokban az esetekben jelentkezik, ahol az l/d arány nagy.
2.4. Fûtőérték és elemi összetétel
A fûtőérték és az elemi összetétel mérését a mérőberendezések automatikusan végezték. Az anyag N-, C-, S-, H-, O-, Cl-tartalmát, hamu- és nedvességtartalmát, valamint a hidrogéntartalommal korrigált fûtőértéket a következő 3.3. táblázat mutatja.
Látható, hogy az általunk mért leveles kukoricaszár minták átlagos fûtőértéke 15,5 MJ/kg. Ez az anyag sûrûségére fajlagosítva 17,7 MJ/m3. Ezek az értékek mutatják, hogy a kukoricaszár a fûtőértéke alapján a közepes minőségû tûzifával sorolható egy kategóriába.
Összefoglalás
A leveles kukoricaszárból készített pelletek koptatóvizsgálatának, geometriai, anyag- és halmazsûrûségi, valamint energetikai vizsgálati eredményeit elemezve megállapíthatók a következők:
• a leveles kukoricaszárból készült pelletek koptatószilárdságuk alapján a „nagyon jó” és a „jó” kategóriába sorolhatók. A nedvességtartalom növelése általában rontja a kopásállóságot, míg az aprítékméret növelése nem minden esetben;
• a pelletátmérő a nedvességtartalom növekedésével a kirugózás miatt nő. A hossz a nedvesség hatására csökken a kisebb kohézió és a nagyobb töredezés miatt. Az aprítékméret hatása csak a hosszméretnél jelentkezik;
• a növekvő nedvességtartalom kisebb anyag- és halmazsûrûséget okoz. Az aprítékméret csökkenésével nő a sûrûség. Látszik, hogy az anyagsûrûség a 6 mm-es pelleteknél ugyan nagyobb, de a halmazsûrûséget tekintve ez nem minden esetben tapasztalható;
• a matrica furatátmérő növekedésének hatására csökken mind az anyag-, mind a halmazsûrûség és a hosszméret. Növekszik viszont az hossz-átmérő (l/d) arány, ami a nagyobb anyagsûrûség ellenére viszonylag kis halmazsûrûséget okoz.
A kutatási téma továbbvitelét három fő irányban tervezzük.
• A vizsgálatok kiterjesztése félüzemi, vagy üzemi méretekre, nagy teljesítményû gépekre, ipari technológiával megvalósított gyártási folyamatra.
• Adalékanyagok – kötő, égésjavító és kenőanyagok – hatásának vizsgálata.
• Más mezőgazdasági melléktermékekkel – pl. repcedarával, napraforgódarával – való keverés hatásának vizsgálata a mechanikai és égési tulajdonságokra.
Fábián Csaba, BME
