Projekt „System oznaczania właściwości i jakości sypkiej biomasy” finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach projektu w Programie Badań Stosowanych PBSIII o numerze PBS3/A8/31/2015. Realizowany przez Instytut Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego PAN oraz TERMALL Sp. z o.o. Rozruch Moc Ekologia w latach 2015-2018.
Kierownik Projektu
dr hab. inż. Mateusz Stasiak, prof. IAPAN
Opis projektu
Obecnie wykorzystywane zasoby biomasy opierają się m.in. na materiałach rozdrobnionych, takich jak: wióry, zrębki, trociny czy słoma. Wadami tych surowców, z punktu widzenia procesu technologicznego, są: stosunkowo mała gęstość utrudniająca transport, magazynowanie i dozowanie; szeroki przedział wilgotności; niższa niż w przypadku paliw kopalnych wartość energetyczna oraz fakt, że niektóre odpady są dostępne tylko sezonowo.
Sezonowość dostaw sypkich biopaliw wymusza ich długotrwałe składowanie. Sypkie i włókniste biopaliwa poddawane są licznym operacjom, jak: transport, magazynowanie czy przemieszczanie warstw. Wciąż wiele z tych operacji, jak i urządzeń, projektowanych jest bez odpowiedniej wiedzy o ich właściwościach. Niewłaściwe magazynowanie, błędy w określeniu parametrów materiału przechowywanego w kontekście posiadanej technologii składowania i transportu, prowadzą do strat materiału, a nawet uszkodzeń urządzeń. Wobec skali produkcji energii i konieczności zachowania ciągłości procesu pozornie proste zagadnienie techniczne: czy biomasa zbryli się w silosie, czy wysypie się oraz czy nie zostaną uszkodzone elementy mechaniczne systemu – nabierają niezwykle istotnego znaczenia gospodarczego.
Z punktu widzenia naukowego problem przechowalnictwa biomasy jest interesującym zagadnieniem badawczym. W skali globalnej brakuje standardowych metod oznaczania jakości i klasyfikacji, a także katalogu parametrów mechanicznych biopaliw sypkich obecnych na rynku. Materiały używane w elektrowniach i elektrociepłowniach stanowią, z fizycznego punktu widzenia, materiał sypki o szerokim zakresie zmienności cech. Niewielka zmiana składu granulometrycznego lub obecność zanieczyszczeń może powodować zasadniczą zmianę właściwości mechanicznych. Właściwości mechaniczne złóż tego typu materiałów modyfikowane są poprzez wymiary i kształt pojedynczych cząstek ośrodka, podlegają też silnemu wpływowi wilgotności. Podstawowymi parametrami określającymi zdolność do przemieszczania się warstw sypkiej biomasy są: gęstość, parametry wytrzymałości, kąt tarcia wewnętrznego, efektywny kąt tarcia wewnętrznego, kohezja oraz sypkość. Parametry te standardowo wyznacza się na podstawie pomiarów w aparatach ścinania, trójosiowego ściskania czy na podstawie wyznaczanych indeksów Carra. Najczęściej też analiza tych parametrów wymaga wiedzy i doświadczenia oraz jest czasochłonna. Tymczasem rynek oczekuje parametrów prostych i łatwo mierzalnych. Eksperymenty w testach ścinania wykonuje się najczęściej dla dwóch zakresów naporu konsolidacji: niskiego – maks. 10 kPa – oraz wysokiego, który w przypadku materiałów składowanych w silosach wynosi maks. 100 kPa. Parametry materiałów sypkich wyznaczone dla niskich naporów normalnych dają informacje o odpowiedzi materiału na obciążenie zewnętrzne wszędzie tam, gdzie mamy do czynienia z przemieszczaniem warstwy materiału o wysokości do 1 m. Zakres wysokich naporów konsolidacji charakteryzuje warunki przechowywania materiału w złożu o wysokości sięgającej kilkudziesięciu metrów. Oba zakresy naporów konsolidacji występują w procesach, którym poddawane są sypkie biopaliwa. Oprócz danych katalogowych z właściwościami sypkich biopaliw niezbędnych do projektowania urządzeń magazynowych i transportowych konieczne jest opracowanie systemu ich oceny przed przyjęciem do elektrowni i elektrociepłowni, pod względem przydatności do transportu i magazynowania. Praktycy przemysłu informują o stratach i awariach systemów składowania i transportu w efekcie rozbieżności właściwości surowca z przyjętymi w projekcie. Inżynierowie z elektrowni i elektrociepłowni informują o potrzebie szybkiego oznaczania wilgotności, gęstości nasypowej i gęstości w stanie skonsolidowanym. W trakcie przechowywania i transportu biopaliw sypkich częstym problemem jest zablokowanie przepływu przy opróżnianiu silosu wywołane konsolidacją przechowywanego materiału, co jest potęgowane poprzez wydłużenie czasu przechowywania materiału pod obciążeniem warstwą składowanego materiału oraz wysoką wilgotnością. Usunięcie zbrylonego materiału bywa bardzo kosztowne, dlatego celowe byłoby przeprowadzenie odpowiednich pomiarów przed jego składowaniem, jednak brak jest właściwego do tego zadania urządzenia.
Celem prezentowanego projektu jest opracowanie katalogu właściwości mechanicznych różnych rodzajów biomasy sypkiej oraz nowej metody ich pomiaru. W ramach projektu wykonane i wycechowane zostały stanowiska pomiarowe do wyznaczania parametrów wilgotności, wytrzymałości, sypkości, ściśliwości oraz gęstości w stanie luźnym i skonsolidowanym. Parametry mechaniczne wyznaczone zostały standardowymi metodami oraz przy pomocy opracowanego w ramach projektu stanowiska. Urządzenie do oceny pozyskanej biomasy w warunkach przemysłowych z założenia ma być proste w obsłudze. Korzystając z niego, personel elektrociepłowni może przed złożeniem partii biomasy do silosu wykonać proste oznaczenia, które pozwolą ocenić, czy biomasa ta bez trudności będzie mogła być wydobyta ze zbiornika. Dodatkowo urządzenie pozwala na szybki pomiar gęstości i wilgotności przyjmowanej do obróbki biomasy rozdrobnionej, w szerokim zakresie wymiarów pojedynczych cząstek.
Zastosowanie proponowanego rozwiązania przez elektrociepłownie i elektrownie przed przyjęciem biopaliwa umożliwia wykluczenie materiału o potencjalnie szkodliwych cechach. Opracowane w wyniku realizacji powyższego projektu stanowiska wraz z metodą i katalogiem właściwości skierowane są do przedsiębiorstw przetwarzających i spalających sypką biomasę oraz do jednostek naukowych i laboratoriów badawczych zajmujących się tego typu materiałami.
Prace w projekcie wykonywane są przez konsorcjum, w którego skład wchodzą Instytut Agrofizyki PAN w Lublinie oraz Termall Sp. z.o.o. Rozruch Moc Ekologia, a wyniki i dane katalogowe udostępniane są wszystkim zainteresowanym. Zważywszy, że wyniki projektu dotyczą parametrów niezbędnych przy inwestycjach o wartości wielu milionów złotych, należy spodziewać się znacznych korzyści z ich zastosowania w praktyce.
Konferencje
Publikacje recenzowane
Patenty i wzory przemysłowe
Zgłoszenie patentowe:
1. Urządzenie do oznaczania właściwości mechanicznych biomasy sypkiej
Zgłoszenie oznaczono numerem: P.418700 14.09.2016
2. Sposób wyznaczania momentu ścinającego w próbce biomasy sypkiej
Zgłoszenie oznaczono numerem: P.418699 14.09.2016
Wzory przemysłowe chronione:
- M. Stasiak, M.Molenda, S.Nosek: Urządzenie pomiarowe, 21-09-2017 pod numerem Wp.25890
- M. Stasiak, M.Molenda, S.Nosek: Urządzenie pomiarowe, 21-09-2017 pod numerem Wp.25891
Katalog parametrów mechanicznych biomasy sypkiej
Projekty stanowisk
Stanowisko do zastosowań naukowych
Stanowisko do zastosowań przemysłowych
Galeria
