ENERGETICKÉ ZHODNOCOVANIE TUHÝCH ODPADOV REALIZOVANÉ A RIEŠENÉ PROJEKTY NA KATEDRE VÝROBNEJ TECHNIKY (KVT) Martin Letko, Peter Križan Autori chceli v tomto článku predstaviť aktivity Katedry výrobnej techniky v oblasti výskumu a riešenia projektov a úloh z praxe v oblasti energetického zhodnocovania tuhých odpadov. Uvedené sú tu výsledky z výskumu nových druhov materiálov vhodných na zhutňovanie, popísané sú navrhnuté konštrukcie zhutňovacích strojov a strojov na spracovanie biomasy, a tiež sú tu popísané realizované a riešené linky na spracovanie tuhých odpadov. Kľúčové slová: zhutňovanie, zhutňovacie stroje, linky na spracovanie tuhých odpadov, drvič, triedič ÚVOD Výroba ušľachtilých biopalív je vhodnou cestou ako energeticky efektívne zhodnotiť biomasu a ďalší energetický odpad. Palivo v 21. storočí musí okrem energetických, environmentálnych a ekonomických kritérií spĺňať aj kritérium vysokého komfortu a bezpečnosti pri jeho spaľovaní. Moderný energonosič musí mať rovnomernú veľkosť frakcie, hustotu, vlhkosť a vhodný tvar. Technológiami transformujúcimi biomasu do biopalív s požadovanými vlastnosťami sú technológie zhutňovania. Katedra výrobnej techniky sa už niekoľko rokov venuje materiálovému a energetickému zhodnocovaniu biomasy. V predchádzajúcich rokoch sme pozornosť zamerali na vývoj strojov určených na úpravu a briketovanie biomasy. Na katedre sme vyvinuli modulový drviaci stroj DZ 240, bubnový rotačný triedič TR 2000, modulový dopravný a skladovací systém. V poslednom čase, v súlade s celosvetovým trendom, venujeme zvýšenú pozornosť technológiám zhutňovania. Dôkazom toho je na katedre vyvinutý a komerčne úspešný mechanický briketovací lis BZ 50-250. Z prebiehajúcich výskumných aktivít sú významné hlavne skúšky nového konštrukčného princípu peletovacieho stroja, vývoj multitechnologickej konštrukcie zhutňovacieho stroja, lisovania suroviny so zvýšenou vlhkosťou, či vývoj zhutňovacieho stroja novej generácie, produktom ktorého bude úplne nový tvar výlisku. Narastajúci význam energetického zhodnocovania biomasy môžeme dokumentovať aj zvyšujúcim sa záujmom zahraničných odberateľov o ušľachtilé biopalivá (brikety, pelety), ako aj rastúcim záujmom slovenskej podnikateľskej sféry o ich produkciu. Často dostávame otázku, ktorá technológia je výhodnejšia, briketovanie alebo peletovanie? Podať jednoznačnú odpoveď na túto otázku je veľmi ťažké, prakticky nemožné. Výber technológie je závislý od finančných zdrojov, množstva, druhu a kvality spracovávanej suroviny, od dodávateľsko - odberateľských vzťahov, atď. Pre konkrétneho záujemcu preto robíme expertný posudok zameraný na výber technológie a ekonomiku budúcej výroby. Cieľom predkladaného príspevku je čiastočne popísať výskumné aktivity v oblasti zhutňovacích strojov realizované na Katedre výrobnej techniky Strojníckej fakulty STU v Bratislave. VÝSKUM Realizované výskumné aktivity na katedre môžeme rozdeliť do dvoch základných smerov, na výskum zhutňovania nových druhov materiálov a vývoj nových konštrukcií zhutňovacích strojov. Nové druhy zhutňovaných materiálov [1] Našou snahou je rozšíriť existujúce technológie zhutňovania aj na nové zatiaľ nepoužívané druhy materiálov tak pre ich následné materiálové ako aj energetické zhodnotenie. Pri vývoji nových druhov energonosičov zameriavame svoju pozornosť okrem zhutňovania klasickej dendromasy aj na fytomasu, rašelinu, ale snažíme sa tieto technológie aplikovať aj pri zhodnocovaní odpadov v komunálnej sfére. Odpad z Kalifornských dážďoviek. Kalifornské dážďovky (Eisenia foetída) sa chovajú na výrobu špeciálnej zmesi enzýmov potrebných pre výrobu naprosto čistých bielkovín. Tieto dážďovky sú pestované v špeciálnom humuse. Tento humus obsahuje veľké množstvo živín a s výhodou je ho možné použiť ako hnojivo pre kvety. K tomu je Ing. Martin Letko, Strojnícka fakulta STU Bratislava, Nám.Slobody 17, Bratislava 812 31, martin.letko@stuba.sk Ing. Peter Križan, Strojnícka fakulta STU Bratislava, Nám.Slobody 17, Bratislava 812 31, peter.krizan@stuba.sk / 69 /
ale potrebná vhodná granulácia humusu. Z uvedeného dôvodu sa na nás obrátila firma Agrospol Železovce, s.r.o. s požiadavkou zhutňovať humus do tvaru tyčiniek vhodných pre aplikáciu izbových kvetov. Odpad z kakaa. Odpad z kakaa je možné zhutniť do peletiek. Takto zhutnený odpad je možné ďalej tak materiálovo ako aj energetický zhodnocovať. Uvedený odpad sme spracovávali pre firmu Renem. Rašelina. Jedná sa o potenciálny energetický zdroj, ktorý má veľmi podobné parametre ako hnedé uhlie. Zhutňovanie rašeliny sme realizovali pre firmu Sloven, s.r.o. so sídlom vo Spišskej Novej Vsi. Uvedená firma uvažuje briketovať rašelinu v Rusku a na Ukrajine a na našich briketovacích lisoch a časť z takéhoto paliva dovážať aj na Slovensko. Odpad z ČOV. Jedná sa o veľmi problematický odpad tak s ohľadom na jeho vlhkosť a množstvo. V neupravenom stave sa jedná sa o kašovitý odpad s 95-98 % relatívnou vlhkosťou. Odpad pritom obsahuje 65 80 % organického materiálu. Po odstredení, tlakovom lisovaní, naviazaní na základný nosič, fermentácii a následnom lisovaní je možné z odpadu získať alternatívne palivo s výhrevnosťou 9 11 MJ/ kilogram. Už prvé experimentálne výsledky ukázali, že je to spôsob ako z odpadu možno získať vhodné alternatívne palivo. Slama. Na Slovensku sa v súčasnosti seje pšenica asi na 800 tisíc hektároch. Z jedného hektára pritom získame asi 4 tony pšenice a približné také isté množstvo aj slamy. Pritom táto slama nie je vhodná ani na kŕmenie ani na podstielku dobytka. Výhrevnosť slamy je asi 14,5 MJ/Kg. Z uvedeného je zrejmé, že ide o nezanedbateľný energetický potenciál. Pre príklad úspešného energetického zhodnotenia slamy stačí cestovať len niekoľko kilometrov do rakúskeho mestečka Wolstahl. Na zhutňovaní slamy participujeme spoločne s SDVÚ. Humus z Vrtivky mediterárnej. Vrtivka mediterárna je jedným z najväčších poľnohospodárskych škodcov na svete. Inštitúcia APHIS v roku 1993 predbežne stanovila, že ročné straty spôsobené týmto škodcom v USA. by mohli byť 1,5 miliardy dolárov. Na jej zneškodnenie bol vytvorený projekt SIT(Steril Insekt Technique). Pri tejto metóde je škodca chovaný v umelých podmienkach, sterilizovaný a vypúšťaný do postihnutých oblastí. Po vyliahnutí sú vajíčka umiestnené v špeciálnej zmesi zloženej z otrúb, cukru, vody, sušených pivných kvasníc a ďalších zložiek. Výživná zmes je určená iba na jedno použitie. Likvidácia tohoto odpadu predstavuje environmentálny ako aj ekonomický problém. Najvýhodnejším spôsobom likvidácie kašovitého odpadu vychádza použitie technológie peletovaním. 1 násypka, 2 dodávaný materiál, 3 lisovacia matrica, 4 lisovacia komora, 5 guľa, 6 pravý unášač, 7 ľavý unášač, 8 odvod peliet, 9 lisovací kotúč Obr. 1 Peletovací lis s axiálno-rotačnými valcami vyvinutý na KVT / 70 /
Nové konštrukcie lisov Výskum nových konštrukcií zhutňovacích strojov na katedre realizujeme v šiestich základných smeroch: Cenovo dostupná konštrukcia peletovacieho stroja. Malé a stredne veľké zhutňovacie stroje by bolo možné nasadiť v stolárskych a drevospracujúcich podnikoch rádovo v desiatkach a stovkách kusov. Tým by si viaceré firmy riešili problém s vykurovaním. Problémom je vysoká cena klasických peletovacích strojov. Jedným z možných riešení novej cenovo dostupnej konštrukcie peletovacieho stroja je lis s axiálno rotačnými valcami vyvinutý na našej katedre. Rez lisom je znázornený na obrázku 1, [2]. V súčasnosti sme dokončili výrobu funkčného prototypu lisu a začali sme realizovať prvé prevádzkové skúšky, obr. 2. Na funkčnom modeli sme dosahovali výkon 25 40 kilogramov, a príkon 250 Wattov. Je reálny predpoklad, že prototyp vo väčšom prevedení bude mať dostatočný výkon a bude cenovo prijateľný. Obr. 2 Pohľad na funkčný model novej konštrukcie peletovacieho stroja Multitechnologická konštrukcia zhutňovacieho stroja. Našou snahou je, aby sme jednoduchou výmenou lisovacej hubice na briketovacom lise mohli vyrábať pelety. Máme vyrobenú špeciálnu peletovaciu hubicu na náš briketovací lis BL 50-250 a v tomto období sme začali v Lehote pod Vtáčnikom a v spolupráci SDVÚ s realizáciou prevádzkových skúšok na konkrétnej surovine slame, [1]. Dvojkomorový briketovací lis BL 2-65-700. V roku 2001 bol vypracovaný projekt dvojkomorového prevedenia lisu BL 2-65-700 použitím unifikovaných dielcov a podskupín z už existujúceho jednokomorového lisu BL 50-250, [3]. Výkon stroja (kg.h -1 ) sa zdvojnásobí, príkon lisu (kw) ale nie je dvojnásobný. Konečný cieľ projektu je rozpracovať existujúcu konštrukciu briketovacieho lisu na modulovú stavbu s rôznymi priemermi produkovaných brikiet (50, 55, 60, 65 mm), v jedno alebo dvojkomorovom prevedení. Výrobné náklady na lis by sa pritom znížili, pretože až 83% dielov nezávisí od priemeru vyrábaných brikiet a počtu lisovacích komôr. Podľa požiadaviek zákazníka by sme potom vedeli navrhnúť stroj šitý na mieru tak z hľadiska výkonu ako aj z hľadiska požadovaného priemeru brikety. V súčasnosti ukončujeme úpravu výkresovej dokumentácie pre výrobu lisu vo firme Vural, a.s. Žilina. Nová konštrukcia zhutňovacieho stroja nový tvar a rozmer výlisku. Sme presvedčený, že peleta nie je tvarovo a rozmerovo konečným riešením moderného energonosiča. Toto presvedčenie vyplýva z vysokých nárokov na kvalitu vstupnej suroviny a z vysokého opotrebovania lisovacích matríc pri výrobe peliet. Valec nie je optimálnym tvarom ani z hľadiska automatizovanej dopravy paliva. Preto už dnes dokončujeme výkresovú dokumentáciu pre výrobu funkčného modelu úplne novej konštrukcie zhutňovacieho stroja [4]. / 71 /
Obr 3 Schéma kompaktora a 3D modelu stroja pre optimálny tvar výlisku s fázou výdrže [5] Obr. 4 Prstencový lis - 3D model [4] Na obr. 3 je vidieť ďaľšiu novú konštrukciu zhutňovacieho stroja, pri ktorom sa tiež uvažuje s výrobou peletiek ktoré budú mať tvar prieniku dvoch valcov. Ide o kompaktor s fázou výdrže navrhnutý na KVT. Protibežná konštrukcia závitovkového lisu. U bežných jednostranných závitovkových lisov (napr. systém Pini & Kay) je nepopierateľný fakt extrémne vysokého axiálneho zaťaženia ložísk závitovky a samotné vysoké opotrebenie závitovky. Závitovkové lisy majú celý rad výhod (kontinuálne vytláčanie brikety, vysoký stupeň zhutnenia), pre ktoré je dobré zaoberať sa ich ďalším vývojom. V roku 2002 bola preto na katedre vypracovaná prvá štúdia závitovkového briketovacieho lisu s protibežným vytláčaním brikety (obr. 6), [7]. Pri protibežnom spôsobe závitovkového briketovania sa predpokladá eliminácia vysokého zaťaženia ložísk závitovky. Kľúčom k úspechu riešenia celého problému bude vyriešenie extrémneho opotrebovania pracovnej závitovky lisu. Z uvedeného dôvodu kladieme zvláštny dôraz na materiálovú, konštrukčnú a rozmerovú optimalizáciu pracovnej závitovky, [6]. Vývoj v tejto oblasti orientujeme na optimalizáciu rozmeru závitovky, na hľadanie vhodného materiálu, či povrchovej úpravy alebo na možnosť návrhu skladanej konštrukcie závitovky (obr. 5), pri ktorej počítame s jednoduchou výmenou rýchlo sa opotrebovateľnej časti. Obr 5 Konštrukcia skladaného nástroja závitovky Obr. 6 Koncepcia protibežnej konštrukcie závitovkového briketovacieho lisu PROJEKTY LINIEK NA ZHODNOCOVANIE TUHÝCH ODPADOV Doposiaľ sme realizovali projekty na 13 liniek na briketovanie drevného odpadu. V uvedenom počte je deväť realizácií na Slovensku, dve v Estónsku a po jednej v Českej republike a v Maďarsku. U nás sú to linky pre firmu LANDR v Pezinku, IMEKO Malacky, EXCELLENT Bratislava, KÉRI Trnava, NORBA Prievidza, DEFEKTOSPOL Údavské, Obecný podnik Lehota pod Vtáčnikom, COLORSPOL Novoť, EKOMIX-NATÚRPRODUKT Vrbové. V Estónsku sme projektovali dve linky pre firmu KRK Moigu v Tabasalu, v Českej republike pre firmu DŘEVOTERM v Náchode a v Maďarsku pre firmu GUEM v Salgotarjane. V tomto roku pribudli ďalšie technologické linky, ktoré už produkujú brikety alebo pelety alebo sú krátko pred spustením prevádzky. / 72 /
PATEX, Bratislava Technologická linka pre firmu PATEX je určená pre briketovanie papierového odpadu. V technologickej linke je inštalovaný briketovací lis BL 50-250, ktorý bol vyvinutý na našom pracovisku. Linka je dimenzovaná na 350 kg brikiet za hodinu. Prevádzka je umiestnená v Ivanke pri Dunaji v blízkosti Bratislavy. Pri spúšťaní linky sa vyskytli problémy so zásobníkom dezintegrovaného papiera. Rozhrabávač, ktorý je súčasťou zásobníka nedokázal podávať materiál do plniacej závitovky briketovacieho lisu. Táto závada bola krátko po spustení odstránená a linka dnes bez problémov funguje. Obr. 7 Projekt pre firmu PATEX, Bratislava JUGI, Lučenec Technologická linka pre firmu JUGI, Lučenec bola navrhnutá na briketovanie a peletovanie drevených pilín. V linke sú inštalované dva briketovacie lisy BL 50-250 a peleteovcí lis od firmy STOZA. Linka v súčasnosti produkuje 700 až 800 kg brikiet za hodinu a približne 800 kg peletiek za hodinu. Táto technologická linka je jedinečná v tom, že bola prvou na Slovensku, ktorá briketuje aj peletuje. / 73 /
Obr. 8 Projekt pre firnu JUGI, Lučenec LES, s.r.o. Trenčín Technologická linka pre firmu LES, s.r.o. Trenčín bola dimenzovaná na briketovanie a peletovanie drevený pilín s produkciou 800 kg brikiet za hodinu a 800 kg peletiek za hodinu. Linka je v súčasnosti v realizácii. Obr. 9 Projekt pre firmu LES, s.r.o. Trenčín KOVOD Recycling, Banská Bystrica Technologická linka pre firmu KOVOD Recycling, Banská Bystrica bola dimenzovaná na produkciu 5000 kg peletiek zo hodinu v prvej etape a 10 000 kg peletiek za hodinu v druhej etape. Linka je v realizácii, predpokladá sa, že linka bude uvedená do skúšobnej prevádzky začiatkom roka 2007. Linka je jedinečná v tom, že ide o najväčšiu linku na výrobu peletiek v regióne Vyšegráckej štvorky. / 74 /
ZÁVER Uvedené stroje a technologické linky sú dôkazom, že našou snahou je aplikácia vyvinutých zariadení do praktických podmienok, kde sa stroje skúšajú v reálnych podmienkach. POUŽITÁ LITERATÚRA [1] Projekt vedy a výskumu číslo: 2003 SP 26 028 0C 04. Technológia výroby a zariadenie na výrobu modifikovaného energonosiča. Bratislava December 2003, 84 s. Zodpovedný riešiteľ: ŠOOŠ, Ľ. [2] GRMAN, M.: Nová konštrukcia peletovacieho stroja. [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU v Bratislave, 2001, 68 s. [3] RIEGEL, T.: Dvojkomorový briketovací lis [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU v Bratislave, 2003, 62 s. [4] KRÍŽIK, M.: Nová konštrukcia peletovacieho stroja. [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU v Bratislave, 2004, 68 s. [5] MATÚŠ, M.: Progresívna konštrukcia zhutňovacieho stroja [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU v Bratislave, 2006, 112 s [6] ÁRVAY, J.: Briketovací stroj novej koncepcie [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU v Bratislave, 2004, 56 s. [7] HYŽA, J.: Peletovací stroj novej generácie [Diplomová práca] Katedra výrobnej techniky SjF STU v Bratislave, 2002, 65 s. / 75 /
/ 76 /