Mechanické a cheické vlastnosti briket z odpadní bioasy konopí (Cannabis sativa var. Finola) Mechanical and cheical properties of briquettes ade of waste hep (Cannabis sativa var. Finola) bioass Ivanova Tatiana, Kolaříková Michela, Havrland Bohuil, Hutla Petr Czech University of Life Sciences Prague, Faculty of Tropical AgriSciences Research Institute of Agricultural Engineering Suary: This paper presents research on waste bioass, which coes fro industrial hep (Cannabis sativa), Finnish variety of Finola - registered variety bred for food use. Residues after seed oil pressing - seed cake and stes were experientally tested for production of solid biofuels - briquettes. Briquettes evaluation includes significant echanical and physical characteristics and properties easured in the solid fuels according to European standards. There are oisture content, echanical durability, gross and net calorific values as well as ash content and flue gas eissions during cobustion. For exaination purposes five ixtures of hep ste and press cake bioass were prepared in ixtures 1:2, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, respectively. The briquettes containing higher aount of ste bioass are ore resistant to anipulation and storage, but have lower calorific value due to lower content of press cake s bioass with residuals of seed oil. The oisture contents of all ixtures fit into optial range for briquettes. All the ixtures also fit to axiu standard aount of ash for non-woody bioass. Mixtures 4:1 and 5:1 fully eet the eissions liits. Other ixtures generally range up to the liit. Briquettes ade of waste hep bioass are suitable as solid biofuel and fulfill the requireents of European nors. Key words: oisture content, echanical durability, gross and net calorific value, ash content, flue gas eissions Anotace: Tento článek prezentuje výzku odpadní bioasy, která pochází z technickéh konopí (Cannabis sativa ), finské odrůdy Finola registrované odrůdy vyšlechtěné pro použití v potravinářství. Zbytky po lisování oleje seen - pokrutiny a stonky byly experientálně testovány pro výrobu pevných biopaliv - briket. Jejich hodnocení zahrnuje několik důležitých echanických a fyzikálních charakteristik a vlastností, které se obvykle ěří v pevných palivech podle evropských nore. Konkrétně - vlhkost, echanické odolnost, spalné teplo a výhřevnost, jakož i obsah popela a eisí při spalování. Pro účely zkouání těchto charakteristik bylo stanoveno pět sěsí stonku a konopných pokrutin v poěru 1: 2, 2:1, 3:1, 4:1, 5:1. Brikety obsahující větší nožství bioasy stonků jsou odolnější vůči anipulaci a skladování, ale ají nižší spalné teplo, vzhlede k nižšíu obsahu pokrutin se zbytky oleje. Obsah vlhkosti všech sěsí splňoval optiální hodnoty pro brikety. Všechny sěsi take vyhovují liitu pro nožství popele nedřevní bioasy. Sěsi 4:1 a 5:1 plně splňují eisní liity. Ostatní sěsi se obvykle pohybují až na hranici liitů. Brikety z odpadní konopné bioasy jsou vhodné jako pevné biopaliva a splňují požadavky Evropských nore. Klíčová slova: vlhkost, echanická odolnost, spalné teplo a výhřevnost, obsah popele, eisní liity
Úvod Z energetického hlediska se považuje za bioasu organickou hotu rostlinného původu, která vzniká na Zei v důsledku fotosyntézy a představuje nejdůležitější složku obnovitelných energií, které lidstvo dovede využívat (Sladký, 2004). V současné době se řada vědeckých pracovišť a univerzitních výzkuů ubírá sěre testování pevných biopaliv ze záěrně pěstované a odpadní bioasy (Kovářová et al., 2002; Prade et al., 2011). Konopné seeno je v současné době využíváno k výrobě oleje pro potravinářské využití. Konopný olej je jední z nejcennějších olejů rostlinného původu, obsahuje až 80 % nenasycených astných kyselin (jsou to kyselina linolová, alfa-linolenová a gaa linolenová), nezbytné pro správné fungování lidského organisu (Pop et al., 2012). Kroě MK obsahuje i cannabinoid cannabidiol (CBD), který působí protizánětlivě. Společnost Hep production, tento olej produkuje a po jeho vylisování zůstávají pokrutiny, které ají stále přibližně 20% oleje, což zaručuje vysoké spalné teplo, tudíž je z energetického hlediska slibné. Konopné stonky (nazývané také konopná sláa) by byly vhodné pro ziskovější produkci konopných vláken, avšak v České republice neexistuje jediný zpracovatelský podnik v této oblasti. Proto byla navázána spolupráce ezi společností Hep Production a naší výzkuný týe o ožnostech využití těchto odpadů pro energetické účely. Cíl Cíle tohoto výzkuu je zpracování odpadní bioasy z konopí setého (pokrutin + stonků) do fory briket a testovat jejich vlastnosti v souladu s Evropskýi norai pro pevná biopaliva. Materiál a etodika 1. Drcení ateriálu Pro brikety z rostlinné bioasy usí být ateriál rozdrcen na šrotovníku před zpracování. Cíle tohoto rozdružování je snížení velikosti částic a hoogenizaci. Pro účely tohoto experientu byla použita drtička typu 9FQ - 40C. Bioasa konopí (pokrutiny a stonky) byla drcena poocí 5 síta. 2. Příprava sěsí Pro účely tohoto experientu bylo připraveno celke pět sěsí finské různé Finola v různých poěrech stonku a pokrutin (stonek: pokrutina): 1:2, 2:1, 3:1, 4:1 a 5:1. 3. Briketování Tvarování bioasy do pevných paliv bylo provedeno briketovací lise BrikStar 50-12. BrikStar je hydraulický pístový lis, který uožňuje výrobu briket o průěru 65 a délce 30 do 50. Schéa lisu je zobrazena na obr.1 a saotný stroj je zobrazen na obr.2
Obr.1. Schéa briketovacího lisu Obr. 2. Briketovácí lis BrikStar 50-12 4. Stanovení obsahu vlhkosti Obsah vlhkosti bioasy byl ěřen sušení s použití sušičky Meert 100-800. Byly zváženy vzorky z každé z pěti sěsí před a po sušení (105 C po dobu 8 hodin). Obsah vlhkosti byl vypočten podle vzorce: w = w w d 100 kde: w vlhkost vzorku (%) w hotnost vzorku před sušení (g) d hotnost vzorku po vysušení (g) 5. Stanovení spalného tepla a výhřevnosti Byl použit adiabatický kalorietr LAGET MS - 10A. Hodnoty takto získané byly pak přepočteny na výhřevnost. Rozdíl ezi GCV a LCV je obsah vody analyzovaného vzorku. Pro výpočet LCV byl použit následující vzorec: LCV = GCV 24.42 ( w + 8.94 H a ) kde: LCV výhřevnost (J. g -1 ) GCV spalné teplo (J. g -1 ) 24.42 koeficient 1% vody ve vzorku při teplotě 25 C (J. g -1 ) w obsah vody ve vzorku (%) 8.94 koeficient pro konverze vodíku na vodu H a obsah vodíku ve vzorku (%) 6. Mechanická odolnost Je jednou z nejvýznanějších echanických vlastností zkouaných v pevných palivech. Mechanická odolnost je kvalitativní ukazatel, který popisuje schopnost ateriálu soudržet při anipulaci. Mechanická odolnost je ěřena s poocí speciálního rotačního bubnu válcovitého tvaru o objeu 160 l s vnitřní délkou a průěre: 598± 8. Zařízení, doba otáčení, stejně jako výpočet byly stanoveny podle ČSN EN 15210-2. DU = A E 100 kde: DU echanická odolnost (%) A váha vzorku po odrolu (g) B váha vzorku před odrole (g) 7. Měření obsahu popela
Experient byl proveden v uflové peci. Dva vzorky z odpadní konopné bioasy byly odebrané z každé z pěti sěsí a váženy před spálení v uflové peci. Podle výše uvedeného standardu byly vzorky nejprve vystaveny teplotě 250 C, teplota se pak postupně zvyšuje až na 550 C. Ochlazené vzorky pak byly opět zváženy; obsah popela vypočítán podle následující rovnice: A = i i f 100 kde: w obsah popela (%) i celková hotnost vzorku před spalování (g) f celková hotnost vzorku po spálení (g) Obr. 3. Vzorky konopí bioasy po vyjutí z uflové pece 8. Stanovení eisí při spalování Experient byl proveden s využití kachlových kaen a analyzátoru spalin Testo 350 XL. Plynový senzor je schopen zaznaenat koncentraci čtyř význaných plynů - oxidu uhelnatého (CO), oxidu dusnatého (NO), oxidu uhličitého (CO 2 ) a oxidu dusičitého (NO 2 ). Výsledné hodnoty naěřených spalin byly následně převedeny na referenční koncentrace kyslíku v souladu s ČSN 07 0240:1993, a přepočteny podle vzorce: c r = c 21 O 21 O 2r 2 kde: c r koncentrace jednotlivých složek spalin na referenční koncentraci kyslíku(pp) c koncentrace jednotlivé složky spalin na ěřené koncentrace kyslíku (pp) O 2r referenční koncentrace kyslíku (11%) O 2 naěřená koncentrace kyslíku (%) 21 se vztahuje na přibližné koncentrace kyslíku v atosféře (%) Výsledky: 1. Analýza vlhkosti Průěrné procentuální hodnoty obsahu vlhkosti ěřené v jednotlivých sěsích se pohybovaly od 6 až do 12%. Obsah vlhkosti se snížil s vyšší obsahe stonků konopí. Podle
Chen et al. (2008) optiální MC pro tuhá biopaliva by neěla překročit 15%. Žádný z vyšetřených vzorků nepřekonal tuto hodnotu. 2. Stanovení spalného tepla a výhřevnosti Naěřené hodnoty spalného tepla byly v rozezí od 19457 J. g -1 pro sěs 1:2, až do 15806 J. g -1 pro sěs 5:1. Vypočtené hodnoty výhřevnosti jsou od 18148 J. g -1 pro 1:2 až do 14496 J. g - 1 pro 5:1 sěsí. S výše uvedeného je zřejé, že vyšší obsah pokrutin zaručuje vyšší spalné teplo. 3. Mechanická odolnost (DU) V grafu 1 jsou srovnány průěrné hodnoty echanické odolnosti jednotlivých sěsí konopí. Je zřejé, že nejvyšší hodnota DU byla nalezena ve sěsi 5:1 (84 %), následovaná poěre 4:1 (77 %), poěr 3:1 (73 %), v poěru 2:1 (68 %) a v poěru 1:2 (30 %). Podle nory ohou být všechny sěsi zařazeny do kategorie DU < 90 %. První sěs á nejnižší odolnost díky nejvyššíu obsahu pokrutin. V ostatních sěsích á odolnost tendenci se zvyšovat, vzhlede k podílu konopných stonků, které obsahují velké nožství celulózy. Mechanická odolnost 5:1 sěsi se blíží k 90 %, což je považováno za iniální hodnotu podle Kotlánové (2010). Graf 1: Mechanická odolnost briket odpadní konopné bioasy Mechanical durability of briquettes ade of hep waste bioass 4. Obsah popela Obsahu popela pro jednotlivé sěsi byl: 1:2 (9 %), 2:1 (8.2%), 3:1 (8%), 4:1 (6.2%) a 5:1 (6,17% ). Žádná z uvedených hodnot nepřekročila hranici 10%, což znaená, že všechny sěsi jsou vhodné dle nory pro nedřevní bioasu. Podle nory sěsi patří do kategorie A10.0 a A7.0. 5. Obsah eisí při spalování Obsah eisí CO byl nejenší pro sěs 5:1, s přibývající nožství pokrutin se zvyšoval. Naopak eise CO 2 byly největší pro tento druh sěsi. Hodnoty NO 2 s přibývající nožství stonků se zvyyšovaly (nejhorší sěs 5:1). Všechny hodnoty ale splnily eisní liity pro spalování nedřevní bioasy. Závěr:
1. Brikety obsahující větší nožství bioasy stonků jsou odolnější vůči anipulaci a skladování (lepší echanická odolnost), ale ají nižší spalné teplo, vzhlede k nižšíu obsahu pokrutin se zbytky oleje. 2. Obsah vlhkosti všech sěsí splňoval optiální hodnoty pro brikety. 3. Všechny sěsi take vyhovují liitu pro nožství popele nedřevní bioasy. 4. Sěsi 4:1 a 5:1 plně splňují eisní liity. Ostatní sěsi se obvykle pohybují až na hranici liitů. 5. Brikety z odpadní konopné bioasy jsou vhodné jako pevné biopaliva a splňují požadavky Evropských nore. Literatura: KOVÁŘOVÁ, M., ABRHAM, Z., JEVIČ, P., ŠEDIVÁ, Z., KOCÁNOVÁ V. (2002): Pěstování a využití energetických a průyslových plodin. Praha, CZ BIOM. ISSN 1801-2655 POP, G., Alexa, E., Laza, A., Mihoc, M., Militaru, A., Pop, D.A. (2012): Nutritional suitability of linseed and oil hep fro fatty acids profile perspective. PLANTA MEDICA 78 (11): 1172-1172. PRADE, T. (2011): Industrial Hep (Cannabis sativa L.) - a High Yelding Energy Crop. Departent of Agrosystes. Alnarp, Sweden, Swedish University of Agricultural Sciences. Doctoral Thesis: 93 p. SLADKÝ, V. (2004): Konopí, šance pro zeědělství a průysl. Praha: ÚZPI, ISBN 80-7271- 145-8. Kontaktní adresa: Ing. Tatiana Ivanova, PhD., Česká zeědělská univerzita v Praze, Fakulta tropického zeědělství, Kaýcká 129, Praha 6, ivanova@ftz.czu.cz Výzku byl podporován Interní grantovou agenturou Fakulty tropického zeědělství ČZU v Praze (grant číslo 51130/1312/3115).