Kukoricaszár pelletek fizikai tulajdonságai

A biztonságos és gazdaságos szállítás és tárolás, valamint az erõmûvi tüzelésbeli elõnyök miatt célszerû tömöríteni, amelynek egyik formája a pelletálás.

A kukoricaszár pelletek fizikai tulajdonságairól kevés információ található. Ezért laboratóriumi méréseink során, amelyeket az FVM Mezõgazdasági Gépesítési Intézetében végeztünk, különbözõ nedvességtartalmi értékek, aprítékméretek és matrica furatméretek mellett vizsgáltuk a kukoricaszár pelletek kopási és geometriai tulajdonságait, valamint az anyag- és halmazsûrûséget.

A kötõanyag 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 fûtõértéke 10% nedvességtartalomnál 15,5 MJ/kg. Mérési eredményeink alapján elmondható, hogy kukoricaszárból kötõanyag nélkül jó minõségû pelletek készíthetõk.



A kukoricaszár nagy mennyiségben keletkezõ értékes mezõgazdasági melléktermék, melynek egyik hasznosítási lehetõsége 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 fûtõérték. Jelen írásunkban a kukoricaszárból különbözõ üzemi paraméterek mellett elõállított pelletek ezen tulajdonságainak vizsgálatát és ezek eredményeit mutatjuk be.



1. Vizsgálati anyagok és módszerek

A vizsgálatokban használt leveles kukoricaszárat 2005 õszén takarítottuk be kévésen, majd pajtában tároltuk, így állagát teljesen megõrizve kiszáradhatott.



1.1. Elõkészítés

Az elõkészítés során a leveles kukoricaszárat stabil szecskavágóval felszecskáztuk, majd egy FRITSCH laboratóriumi gyorsõrlõvel 10, 6, 4 és 2 mm-es névleges aprítékméretre daráltuk. Az aprítékot a pelletálás elõtt benedvesítettük az elõzõleg meghatározott 25, 35 és 45%-os nedvességtartalom értékre. A nedvesített anyagot egy CPM Laboratory Pellet Mill típusú pelletezõgépbe adagoltuk. A gépet minden mérés elõtt kitisztítottuk. Az állandósult állapot beálltának az üzemi hõmérséklet elérését tekintettük (matricától függõen 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 elõírt 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, fémbõl készült üreges hasábok, melynek 300 × 300 mm-es oldallapján egy

228 × 50 × 5 mm méretû hegesztett terelõlap van. A hasáb egyik oldala nyitható, a minta behelyezése és kivétele végett. A koptatódobok forgatása a 300 × 300 mm méretû oldallapra merõleges 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 pelletátmérõkhöz meghatározott tömegû pelletminták hosszát és átmérõjét tolómérõvel mértük le. Az anyagsûrûség méréséhez a KERN RH 120-3 nedvességmérõ mérlegét használtuk.

A térfogatsúly mérését a CEN/TS 15103 szabvány szerint végeztük 3 különbözõ mérõedénnyel. A mintavételt minden esetben az MSZ 6962-84 szabvány szerint végeztük, mintavevõ lapáttal. Az elemi minták készítéséhez, és a minták csökkentéséhez mintaosztót használtunk. A tömegméréseknél a mérendõ tömeg nagyságrendje szerint 3 féle mérleget használtunk: PRECISA 30000D, PRECISA 6200D, és a KERN RH 120-3 nedvességmérõ mérlegét.



1.4. Fûtõérték mérése

Egy tüzelõanyag fontos jellemzõje a fûtõérték. Ezt egy IKA típusú fûtõértékmérõ 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 mérõberendezéssel végeztük. Mindkét mérõberendezés 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 fellépõ, törmelék- és porképzõdéssel, 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 következõképpen 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 következõ 2.1. és 2.2. diagramok a különbözõ pelletminták kopásállóságát mutatják a nedvességtartalom függvényében, a görbéket az õrlemény névleges szemcsemérete paraméterezi.

A pelletek koptatószilárdságát jellemzõ PD index alapján a következõképpen értékelhetjük.

Ha a PD index értéke

 > 90 nagyon jó

85–90 jó

80–85 elfogadható

75–80 gyenge

< 75 nem elfogadható.

Az eredményekbõl 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 átmérõjû pellet, míg a legkevésbé kopásálló a 45%-os nedvességtartalmú, 10 mm-es aprítékból készített, 13 mm átmérõjû pellet. Általában a nagyobb aprítékméretek esetében gyengébbek a nagyobb nedvességtartalmú minták. A 45% nedvességtartalmú aprítékból készült pelletek mindegyik esetben rosszabb minõségûek a 25 és 35%-os nedvességû õrleményekbõl készítettnél. Az aprítékméret csökkenése nem minden esetben növeli a kopásállóságot, ez a 13 mm átmérõjû pelleteknél megfigyelhetõ. A nagyobb aprítékméretbõl készült pelletek esetében a nagyobb nedvességtartalom nagyobb kopást okoz.

2.2. Pellet geometria

A pelletek méretei közül az átmérõ kevésbé változékony, hiszen a matrica furat mérete eleve meghatározza. Az átmérõbõl a kirugózás mértékét lehet megállapítani. A hossz ennél jelentékenyebb adat. A matricából frissen kikerülõ pelletek anyagának kohéziója nem mindig elegendõ ahhoz, hogy a durva mechanikai hatásoknak ellenálljon. A pellet halmazban levõ törmelék nagy része így képzõdik. A pelletek hossz és az átmérõ arányának (l/d viszony) átlagos értéke egy adott pellet halmaz jellemzõje, utal a törékenységre is. A pellet- geometriai mérések eredményei a 2.1. és 2.2. táblázatban láthatók. Az eredményekbõl jól látszik, hogy az átmérõ a nedvességtartalom növekedésével nõ, ami a kirugózás következménye. A hossz éppen ellenkezõleg, a nedvesség hatására csökken a kisebb kohézió miatt. Az l/d viszonyszámok is ezt tükrözik, hiszen az átmérõ növekedése csekély a hossz csökkenéséhez képest. Az aprítékméretnek az átmérõre láthatóan nincs hatása, a hossz tekintetében pedig nem egyértelmû: a 13 mm átmérõjû pelleteknél az aprítékméret növekedésével nõ a hossz, a 6 mm-es pelleteknél viszont csökken, és ez tükrözõdik az l/d viszonyszámokban is. Elmondható tehát, hogy a nedvességtartalom növekedése az átmérõt növeli és a hosszot csökkenti, míg az aprítékméret hatása csak a hosszméretnél jelentkezik, de ott is ellentétes a kétféle pelletátmérõ 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 méretekbõl határoztunk meg, a tömeget pedig megmértük. A halmazsûrûség, vagy szállítási térfogattömeg méréséhez három különbözõ, ismert térfogatú és tömegû mérõedényt használtunk. A 2.3. és 2.4. diagramokban az anyag- és halmazsûrûség mérések eredményeit ismertetjük. A legnagyobb anyag- és halmazsûrûséget a 6 mm átmérõjû, 2 mm-es, 25%-os nedvességtartalmú õrleménybõl, a legalacsonyabb pedig a 13 mm átmérõjû, 10 mm-es, 45%-os nedvességtartalmú aprítékból készült pelleteknél mértük. Az eredményekbõl látszik, hogy a növekvõ nedvességtartalom kisebb anyag- és halmazsûrûséget okoz. Az aprítékméret csökkenésével is nõ 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. Fûtõérték és elemi összetétel

A fûtõérték és az elemi összetétel mérését a mérõberendezések automatikusan végezték. Az anyag N-, C-, S-, H-, O-, Cl-tartalmát, hamu- és nedvességtartalmát, valamint a hidrogéntartalommal korrigált fûtõértéket a következõ 3.3. táblázat mutatja.



Látható, hogy az általunk mért leveles kukoricaszár minták átlagos fûtõértéke 15,5 MJ/kg. Ez az anyag sûrûségére fajlagosítva 17,7 MJ/m3. Ezek az értékek mutatják, hogy a kukoricaszár a fûtõértéke alapján a közepes minõségû tûzifával sorolható egy kategóriába.

Összefoglalás

A leveles kukoricaszárból készített pelletek koptatóvizsgálatának, geometriai, anyag- és halmazsûrûségi, valamint energetikai vizsgálati eredményeit elemezve megállapíthatók a következõk:

• 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 pelletátmérõ a nedvességtartalom növekedésével a kirugózás miatt nõ. A hossz a nedvesség hatására csökken a kisebb kohézió és a nagyobb töredezés miatt. Az aprítékméret hatása csak a hosszméretnél jelentkezik;

• a növekvõ nedvességtartalom kisebb anyag- és halmazsûrûséget okoz. Az aprítékméret csökkenésével nõ a sûrûség. Látszik, hogy az anyagsûrûség a 6 mm-es pelleteknél ugyan nagyobb, de a halmazsûrûséget tekintve ez nem minden esetben tapasztalható;

• a matrica furatátmérõ növekedésének hatására csökken mind az anyag-, mind a halmazsûrûség és a hosszméret. Növekszik viszont az hossz-átmérõ (l/d) arány, ami a nagyobb anyagsûrûség ellenére viszonylag kis halmazsûrûséget okoz.



A kutatási téma továbbvitelét három fõ irányban tervezzük.

• A vizsgálatok kiterjesztése félüzemi, vagy üzemi méretekre, nagy teljesítményû gépekre, ipari technológiával megvalósított gyártási folyamatra.

• Adalékanyagok – kötõ, égésjavító és kenõanyagok – hatásának vizsgálata.

• Más mezõgazdasági melléktermékekkel – pl. repcedarával, napraforgódarával – való keverés hatásának vizsgálata a mechanikai és égési tulajdonságokra.

Fábián Csaba, BME