PL229438B1 - Sposób rozdrabniania biomasy drzewnej i urządzenie do realizacji tego sposobu - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób rozdrabniania biomasy drzewnej i urządzenie do realizacji tego sposobu, przeznaczone do rozdrabniania materiałów roślinnych, pędów drzew i krzewów, w celu uzyskania frakcji zrębków o specyficznych właściwościach istotnych ze względu na energetyczne wykorzystanie. Sposób charakteryzuje się tym, że w pierwszej fazie pęd biomasy drzewnej (1) poddawany jest procesowi wstępnego zgniatania przy pomocy dwóch walców zgniatających (2), przy czym kierunek podawania pędu biomasy drzewnej (1) jest prostopadły do osi walców zgniatających (2). Następnie w drugiej fazie, wstępnie zgnieciony pęd biomasy drzewnej (1) jest dogniatany przez dwa bębny zgniatająco - rozdrabniające (3), przy czym kąt nachylenia osi bębnów zgniatająco - rozdrabniających (3) względem osi walców zgniatających (2) powinien zawierać się w granicach pomiędzy 0° a 90°, a jednocześnie w procesie dogniatania następuje przecinanie pędu biomasy drzewnej (1) przez przynajmniej jedną parę noży (4), zamontowanych na powierzchni roboczej dwóch bębnów zgniatająco - rozdrabniających (3).Tak uzyskany fragment pędu biomasy drzewnej (1). Z kolei zostaje rozłupany przez krawędź ostrza belki rozłupującej (5), uzyskując w ten sposób zrębki (6) o pożądanych właściwościach.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób rozdrabniania biomasy drzewnej i urządzenie do realizacji tego sposobu, przeznaczone do rozdrabniania materiałów roślinnych, pędów drzew i krzewów, w celu uzyskania frakcji zrębków o specyficznych właściwościach istotnych ze względu na energetyczne wykorzystanie.

Rozdrabnianie to jeden z ważniejszych procesów podczas przetwarzania, mającego na celu redukcje wielkości cząstek. W przypadku biomasy z roślin drzewiastych, materiał najczęściej rozdrabniany jest w dwóch etapach. Pierwszym jest rozdrobnienie wstępne z wykorzystaniem rębarek, którego produktem są zrębki. Gdy materiał charakteryzuje się wielkością cząstek odpowiednią do przeprowadzenia procesu brykietowania lub peletowania, drugi etap - jakim jest mielenie - nie jest konieczny.

Rozdrabnianie często stosuje się przed transportem, w celu zwiększenia gęstości nasypowej. Przechowywanie biomasy może mieć jednak negatywne skutki ze względu na podwyższoną aktywność mikrobiologiczną, skutkującą utratą suchej masy, emisją gazów cieplarnianych, oraz nagrzewanie się hałdy, co w rezultacie może prowadzić nawet do samozapłonu.

Maszyny rozdrabniające biomasę drzewną powstały z myślą o ograniczeniu powierzchni i redukcji objętości zajmowanej przez nią. Pierwszymi maszyny rozdrabniającymi biomasę drzewną były rozdrabniacze i sieczkarnie rolnicze. Stopniowo wraz ze wzrostem zainteresowania tym problemem zaczęto produkować maszyny przeznaczone specjalnie do tego celu. Obecnie produkuje się maszyny bardzo złożone. Zakres ich zastosowania obejmuje małe gospodarstwa domowe, jak i również wykorzystanie przemysłowe. Najnowsze technologie łączą ze sobą wykorzystanie wszelakich mechanizmów z układami hydraulicznymi oraz elektrycznymi. Wszystko to w celu zminimalizowania kosztów rozdrabniania oraz podniesienia wydajności i precyzji wykonywanego procesu.

Główny podział rębarek zależny jest od ich docelowego przeznaczenia. Inaczej bowiem zbudowane i wykonane są maszyny przeznaczone dla zwykłego użytkowania przydomowego, gdy maszyna użytkowana jest kilka razy w roku przerabiając przy tym małe partie materiału, a inaczej maszyna przeznaczona do pracy ciągłej.

Na rynku napotkać możemy na cztery rodzaje tego typu maszyn różniące się między sobą sercem maszyny-zespołem tnącym. Wyróżniamy zespoły tnące: tarczowe, bębnowe, ślimakowe, łuparki.

Każdy z wymienionych rodzajów zespołów tnących charakteryzuje się innym zużyciem energii oraz inną wydajnością. Ich zastosowanie zależy w większości przypadków od ich przeznaczenia oraz klasy jakościowej maszyny.

Rębarki tarczowe są najczęściej spotykanymi rębarkami na rynku. Ich budowa jest bardzo prosta. Prostokątne noże umieszczone są promieniście na tarczy, która obraca się wokół własnej osi. W miejscu, gdzie podawany jest materiał napotykają na stalnice - materiał zostaje odcięty. Liczba noży umieszczona na tarczy zależna jest głównie od producenta rębarki. Im większa liczba noży, tym szybciej podawany może być materiał. Większa liczba noży ma również wpływ na ich żywotność. Maszyny te można porównać z dawną sieczkarnią do słomy. Ich zasada działania i budowa jest do siebie bardzo zbliżona.

Rębarki bębnowe są maszynami rzadziej spotykanymi od rębarek tarczowych. Ich budowa łudząco przypomina budowę wałków strunowych w agregatach uprawowych. Noże tnące umieszczone są na bębnie obrotowym. Najczęściej spotkać możemy bębny z dwoma lub czterema nożami tnącymi. Od ilości noży zależy między innymi długość powstałego zrębka. Na ten czynnik można również wpłynąć regulacją odległości kowadełka pełniącego rolę stalnicy.

W tego typu rębarkach cięcie odbywa się na całej długości noża w tym samym czasie. Zrębki powstałe na tego typu maszynie charakteryzują się długością od 10-50 mm oraz regularnym kształtem. Nie nadają się one jednak bezpośrednio do peletowania ani brykietowania.

Ciekawym rozwiązaniem jest modyfikacja standardowego rębaka bębnowego, jakim jest rębak walcowy. W maszynie tej zastosowano dwa równolegle ułożone walce, na których umieszczone są noże tnące. Noże są z sobą zsynchronizowane tak aby podczas obrotu walca napotykały się na siebie. Rębarki tego typu nie potrzebują podajnika, materiał pobierany jest podczas cięcia przez zespół tnący. Uzyskane zrębki charakteryzują się długością od 5 do 10 cm. Idealnie nadają się do użytkowania w konwencjonalnych kotłach grzewczych.

Znany jest system tnący z opisu polskiego wzoru użytkowego RWU.64585, gdzie ochroną objęta jest sieczkarnia do drewna, zwłaszcza do cięcia na określone odcinki ściętych z plantacji roślin energetycznych lub gałęzi stanowiących odpad przy wycince drzew w lesie lub przecince drzew owocowych

PL 229 438 Β1 w sadach. Sieczkarnia do drewna posiadająca ramę nośną wyposażoną w uchwyty do zaczepienia do ciągnika za pomocą trójpunktowego systemu mocowania oraz układ jezdny z kolami, do której zamocowany jest również zespól tnący z gardzielą wlotową oraz po przeciwnej stronie króćcem wylotowym z zaczepami na pojemniki na zrębki, zgodnie z wzorem użytkowym, charakteryzuje się tym, że zespół tnący posiada wymienne głowice trzy, cztery lub sześcionożowe, w których noże są mocowane w gniazdach wykonanych w korpusach tych głowic poprzez kliny połączone z korpusem śrubami. Poza tym w dnach gniazd usytuowane są śruby regulacyjne wysokość położenia ostrzy noży, w stosunku do osi głowicy.

Rębarki ślimakowe charakteryzują się stabilnością pracy - brak cięcia udarowego. Materiał rozdrabniany podawany jest za pomocą krawędzi tnącej ślimaka. Stożkowy kształt ślimaka powoduje, iż materiałjednocześnie jest wciągany i zrębkowany. Wadą tego systemu jest brak regulacji długości zrębków. Regulacje można wykonać jedynie przez wymianę ślimaka o innym skoku.

Czwartą grupą są łuparki, które możemy podzielić na łuparki konwencjonalne działające na zasadzie podobnej do siekiery; i łuparki śrubowe (stożkowe). W łuparkach konwencjonalnych stalowy klin wciskany jest w drewno powodując jego rozłupanie się. Maszyny tego typu zbudowane są z stalowego klina wciskanego w drewno za pomocą siłownika hydraulicznego. Nowoczesne maszyny wyposażone są w kliny krzyżowe pozwalające na rozłupanie podanego kawałka drewna na cztery kawałki podczas jednego przejścia roboczego. Łuparki śrubowe zbudowane są z nagwintowanego stożka zamieszczonego na napędzanej ośce. Ich zasada działania przypomina śrubę wkręcającą się w drewno. Stożek wkręcając się coraz głębiej w drewno powoduje rozerwanie i rozłupanie go.

Proces technologiczny rozdrabniania biomasy drzewnej występuje w wielu procesach produkcji. Jego najważniejszym celem jest redukcja/pomniejszanie wielkości cząstek do frakcji pożądanej o wielkości (największy wymiar cząstek) poniżej 100 mm. Biomasa drzewna poddawana procesom rozdrabniania występuje najczęściej w formie kłód, gałęzi, pni itp. W ostatnich latach można zauważyć wzrost zainteresowania energetycznym wykorzystaniem biomasy w szczególności drewna. Biomasa, jako biopaliwo, jest obecnie szeroko stosowana w energetyce zawodowej jak również przez odbiorców indywidualnych.

Jednym z czynników istotnie decydujących o końcowej cenie biopaliwa są koszty produkcji/przetwarzania. Co najciekawsze drewno od pierwszych etapów przetwarzania jest biopaliwem możliwym do energetycznego wykorzystania np.: kłoda -> drewno kawałkowe (kominkowe) -> zrębki -> pelety lub brykiety.

Energetyka przemysłowa jak i gospodarstwa rolne są w szczególności zainteresowane biopaliwami stałymi niskoprzetworzonymi między innymi celem obniżenia kosztów paliwa nawet kosztem utraty pewnego komfortu w stosowaniu. Stosowanie w instalacjach energetycznych np. zrębków pozwala zminimalizować koszty przetwarzania między innymi w procesach dosuszania, mielenia oraz aglomeracji ciśnieniowej (brykietowanie, peletowanie).

Można również zauważyć, iż rozwija się oferta maszyn i urządzeń do przetwarzania biomasy w szczególności drzewnej. Wzrasta liczba podmiotów zajmujących się produkcją oraz ich dystrybucją detaliczną w szczególności kanałami e-sprzedaży.

Analizując rynek potencjalnych użytkowników maszyn do rozdrabniania wstępnego biomasy drzewnej to wydaje się, iż niedosyt i poszukiwania innowacyjnych rozwiązań można zauważyć w sortymencie małych urządzeń dedykowanych dla użytkowników indywidualnych lub usługodawców lokalnych.

Urządzenia takie są często dostosowane do wybranych grup odbiorców zróżnicowanych np. posiadanymi źródłami energii (napęd WOM ciągnika rolniczego, napęd elektryczny itp.) lub specyfiką przetwarzanego materiału (gałęzie z sadów, pozostałości zrębne z lasów itp.).

Innym kierunkiem rozwoju technicznego urządzeń do rozdrabniania biomasy drzewnej jest uzyskiwanie specyficznych właściwości przetwarzanego materiału. Właściwości te mają duże znaczenie w dalszych procesach związanych z logistyką, suszeniem, mieleniem, aglomeracją czy też spalaniem. Przedstawione poniżej rozwiązanie wpisuje się właśnie w ten trend rozwoju urządzeń do przetwarzania biomasy drzewnej.

Istota sposobu według wynalazku charakteryzuje się tym, że w pierwszej fazie pęd biomasy drzewnej poddawany jest procesowi wstępnego zgniatania przy pomocy dwóch walców zgniatających, przy czym kierunek podawania pędu biomasy drzewnej jest prostopadły do osi walców zgniatających, a następnie w drugiej fazie, wstępnie zgnieciony pęd biomasy drzewnej jest dogniatany przez dwa bębny zgniatająco-rozdrabniające, przy czym kąt nachylenia osi bębnów zgniatająco-rozdrabniających

PL 229 438 Β1 względem osi walców zgniatających winien zawierać się w granicach pomiędzy 0° a 90°, a jednocześnie w procesie dogniatania następuje przecinanie pędu biomasy drzewnej przez przynajmniej jedną parę noży, zamontowanych na powierzchni roboczej dwóch bębnów zgniatająco-rozdrabniających, a tak uzyskany fragment pędu biomasy drzewnej następnie zostaje rozłupany przez krawędź ostrza belki rozłupującej, uzyskując w ten sposób zrębki o pożądanych właściwościach.

Istota urządzenia według wynalazku charakteryzuje się tym, że bezpośrednio za walcami zgniatającymi usytuowane są bębny zgniatająco-rozdrabniające, które można obrócić do pozycji pracy o kąt z przedziału 0°-90° względem osi walców zgniatających i które posiadają przynajmniej jedną parę noży, zamontowanych na powierzchni roboczej dwóch bębnów zgniatająco-rozdrabniających, a bezpośrednio za bębnami zgniatająco-rozdrabniającymi umieszczona jest poprzecznie belka z zaostrzoną krawędzią rozłupującą, przy czym jest ona umieszczona równolegle do krawędzi tnącej pary noży bębna zgniatająco-rozdrabniającego, na wysokości osi symetrii gardzieli roboczej urządzenia.

Zaletą przedstawionego rozwiązania jest fakt, iż pozwala w pierwszej kolejności na rozdrobnienie biomasy drzewnej w szczególności pędów/gałęzi na cele energetyczne. Długość uzyskiwanych cząstek (dł. odcinanej cząstki od calizny) może być różna, ustalana skokowo (zmiana geometrii bębna zgniatająco-rozdrabniającegooraz ilości zastosowanych noży roboczych). Proces cięcia realizowany jest przez parę noży wzajemnie współpracujących na bębnach zgniatająco-rozdrabniających. Geometria bębna oraz liczba par noży jest powiązana z max. średnicą pędu możliwą do przetwarzania oraz długością zrębków.

Kolejnym udogodnieniem jest zastosowanie dwuetapowego przetwarzania materiału. W pierwszym etapie materiał (pędy drzew) poddawane są procesowi wstępnego zgniatania na walcach celem zniszczenia struktury drewna. Dodatkowo, dzięki zastosowaniu bębnów ryflowanych (poprzeczne nacięcia, rowki) można uzyskać minimalizację poślizgu bębnów względem materiału oraz dodatkowo uzyskujemy zwiększony stopień destrukcji powierzchni materiału (struktury włóknistej drewna). Materiał po wstępnej obróbce (zgnieceniu) podawany jest do drugiej sekcji roboczej, w której realizowane jest dalsze zgniatanie wraz z cięciem na ustaloną długość. Istotnym jest, iż ten proces, w zależności od zdefiniowanych właściwości uzyskiwanego materiału (stopień porowatości), może być realizowany w płaszczyźnie przesuniętej tzw. przesunięciu kątowym (od 0° do 90°). Wzajemne przesunięcie sekcji zgniatającej i sekcji zgniatająco-rozdrabniającej pozwala na uzyskanie zrębków o zwiększonej porowatości oraz większym stopniu zniszczenia struktury drewna.

Uzyskany rozdrobniony materiał (zrębki), o istotnie zniszczonej strukturze, w kolejnych etapach technologicznych przygotowania paliwa wpływa na zwiększenie efektywności procesu. Zwiększona porowatość materiału jak również czynna powierzchnia wymiany ciepła i masy (dzięki zgnieceniu włókien) sprawia, iż proces suszenia metodami wymuszonymi jak i naturalne sezonowanie przebiega znacząco szybciej wpływając między innymi na obniżenie energochłonności procesu.

Proces zgniatania materiału o dużej wilgotności (pow. 40%) pozwala znacząco zmniejszyć zawartość wody dzięki uzyskanemu efektowi wyciskania wody. Zmniejszenie zawartości wody w przetwarzanym materiale wpływa bezpośrednio na zmniejszenie energochłonności dalszych procesów dosuszania oraz ogranicza aktywność biologiczną materiału.

Zastosowanie systemów zgniatających w omawianym rozwiązaniu sprawia, iż uzyskany rozdrobniony materiał charakteryzuje się niższymi nakładami energii w procesach dalszego rozdrabniania mielenia. Wstępnie zniszczona struktura drewna (uzyskana w procesie wstępnego ściskania oraz w procesie rozdrabniania) sprawia, iż zmniejszenie rozmiarów cząstek (np. w procesie mielenia do procesu brykietowania) przebiega szybciej tym samym obniżając nakłady pracy.

Podsumowując prezentowane rozwiązanie polega na prowadzaniu procesu rozdrabniania w urządzeniu technicznym pozwalający na dwuetapowy proces przetwarzania. Pierwszy związany ze wstępnym miażdżeniem materiału dzięki zastosowaniu napędzanych walcowo powierzchni gładkiej lub ryflowanej oraz drugi odpowiadający za dalsze dogniatanie materiału oraz cięcia na powtarzalną długość przez pary noży zamontowanych na bębnach zgniatająco-rozdrabniających. Dodatkowo druga sekcja robocza może pracować w płaszczyźnie obróconej (od 0° do 90°) względem płaszczyzny wstępnego zgniatania. Największe efekty zwiększające destrukcję uzyskiwanej cząstki (zwiększona porowatość oraz powierzchnia wymiany ciepła i masy) są przy kącie obrotu o 90°. Dodatkowo dzięki zastosowaniu przedstawionej metody rozdrabniania dla materiałów o dużej wilgotności uzyskujemy efekt wyciskania wody obniżając tym samym wilgotność uzyskanego materiału.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urządzenia z ogólnym przedstawieniem zasady pracy, fig. 2 i fig. 3 ilustruje widok

PL 229 438 Β1 urządzenia z obróconymi o 90° bębnami zgniatająco-rozdrabniającymi w dwóch rzutach, a fig. 4 przedstawia urządzenie w widoku 3D.

Sposób rozdrabniania biomasy drzewnej polegający na dwufazowym przetwarzaniu struktury poprzez zgniatanie, przy czym w pierwszej fazie pęd biomasy drzewnej (1) poddawany jest procesowi wstępnego zgniatania przy pomocy dwóch walców zgniatających (2), przy czym kierunek podawania pędu biomasy drzewnej (1) jest prostopadły do osi walców zgniatających (2), a następnie w drugiej fazie, wstępnie zgnieciony pęd biomasy drzewnej (1) jest dogniatany przez dwa bębny zgniatająco-rozdrabniające (3), przy czym kąt nachylenia osi bębnów zgniatająco-rozdrabniających (3) względem osi walców zgniatających (2) winien zawierać się w granicach pomiędzy 0° a 90°, a jednocześnie w procesie dogniatania następuje przecinanie pędu biomasy drzewnej (1) przez przynajmniej jedną parę noży (4), zamontowanych na powierzchni roboczej dwóch bębnów zgniatająco-rozdrabniających (3), a tak uzyskany fragment pędu biomasy drzewnej (1) następnie zostaje rozłupany przez krawędź ostrza belki rozłupującej (5), uzyskując w ten sposób zrębki (6) o pożądanych właściwościach.

Urządzenie do rozdrabniania biomasy drzewnej posiadające dwa walce zgniatające i dwa bębny zgniatająco-rozdrabniające, przy czym bezpośrednio za walcami zgniatającymi (2) usytuowane są bębny zgniatająco-rozdrabniające (3), które można obrócić do pozycji pracy o kąt z przedziału 0°-90° względem osi walców zgniatających (2) i które posiadają przynajmniej jedną parę noży (4), zamontowanych na powierzchni roboczej dwóch bębnów zgniatająco-rozdrabniających (3), a bezpośrednio za bębnami zgniatająco-rozdrabniającymi (3) umieszczona jest poprzecznie belka z zaostrzoną krawędzią rozłupującą (5), przy czym jest ona umieszczona równolegle do krawędzi tnącej pary noży (4) bębna zgniatająco-rozdrabniającego (3), na wysokości osi symetrii gardzieli roboczej urządzenia.

Claims (2)

1. Sposób rozdrabniania biomasy drzewnej polegający na dwufazowym przetwarzaniu struktury poprzez zgniatanie znamienny tym, że w pierwszej fazie pęd biomasy drzewnej (1) poddawany jest procesowi wstępnego zgniatania przy pomocy dwóch walców zgniatających (2), przy czym kierunek podawania pędu biomasy drzewnej (1) jest prostopadły do osi walców zgniatających (2), a następnie w drugiej fazie, wstępnie zgnieciony pęd biomasy drzewnej (1) jest dogniatany przez dwa bębny zgniatająco-rozdrabniające (3), przy czym kąt nachylenia osi bębnów zgniatająco-rozdrabniających (3) względem osi walców zgniatających (2) winien zawierać się w granicach pomiędzy 0° a 90°, a jednocześnie w procesie dogniatania następuje przecinanie pędu biomasy drzewnej (1) przez przynajmniej jedną parę noży (4), zamontowanych na powierzchni roboczej dwóch bębnów zgniatająco-rozdrabniających (3), a tak uzyskany fragment pędu biomasy drzewnej (1) następnie zostaje rozłupany przez krawędź ostrza belki rozłupującej (5), uzyskując w ten sposób zrębki (6) o pożądanych właściwościach.

2. Urządzenie do rozdrabniania biomasy drzewnej posiadające dwa walce zgniatające i dwa bębny zgniatająco-rozdrabniające znamienne tym, że bezpośrednio za walcami zgniatającymi (2) usytuowane są bębny zgniatająco-rozdrabniające (3), które można obrócić do pozycji pracy o kąt z przedziału od 0° do 90° względem osi walców zgniatających (2) i które posiadają przynajmniej jedną parę noży (4), zamontowanych na powierzchni roboczej dwóch bębnów zgniatająco-rozdrabniających (3), a bezpośrednio za bębnami zgniatająco-rozdrabniającymi (3) umieszczona jest poprzecznie belka z zaostrzoną krawędzią rozłupującą (5), przy czym jest ona umieszczona równolegle do krawędzi tnącej pary noży (4) bębna zgniatająco-rozdrabniającego (3), na wysokości osi symetrii gardzieli roboczej urządzenia.