Fűrészüzemi technológia gazdaságosságának növelése a gyártás során keletkező melléktermékek energetikai hasznosításával

Átírás

1 EGYETEM MŰSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR Energia- és Minőségügyi Intézet Tüzeléstani és Hőenergia Intézeti Tanszék Fűrészüzemi technológia gazdaságosságának növelése a gyártás során keletkező melléktermékek energetikai hasznosításával Szakdolgozat Készítette: BSc Anyagmérnök hallgató Konzulens(ek): Dr. Kovács Helga egyetemi tanársegéd május

2 Nyilatkozatok Alulírott Mata Alex, a Miskolci Egyetem Műszaki Anyagtudományi Karának hallgatója, büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában kijelentem és aláírásommal igazolom, hogy ezt a szakdolgozatot csak megengedett segítséggel, magam készítettem, és az irodalomjegyzékben felsorolt forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, amelyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva, más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával jelöltem. Miskolc, május 15. hallgató aláírása Alulírott Dr. Kovács Helga konzulens kijelentem, hogy a szakdolgozatot Mata Alex a Miskolci Egyetem, Energia- és Minőségügyi Intézetében készítette. Kijelentem, hogy a szakdolgozat védésre bocsátását engedélyezem. Miskolc, május 15. konzulens aláírása

3 Köszönetnyilvánítás Szeretnék ez úton is köszönetet mondani konzulensemnek, Dr. Kovács Helga egyetemi tanársegédnek, és Zsemberi Andor PhD hallgatónak, hogy szaktudásukkal, hasznos tanácsaikkal, ötleteikkel és állhatatos munkájukkal támogatták dolgozatom elkészülését, továbbá a családomnak, akik folyamatosan támogattak, valamint mindazoknak, akik segítségemre voltak a szakdolgozatom elkészítésében.

4 Absztrakt/Összefoglaló A fafeldolgozó ipar, többek között a fűrészüzemek a technológiai fejlődésének és kiemelt mértékű keresletnek köszönhetően hatalmas energiaigénnyel rendelkeznek, ezért vizsgálatokat végeztem a keletkező melléktermékek felhasználásának céljából. Vizsgálataim során Bükkfa és Tölgyfa minták fűtőértékét határoztam meg, azzal a céllal, hogy a fűrészüzemi fafeldolgozás során ezen két fafajból keletkező melléktermékek energetikai hasznosításának és az így visszanyert energia termelésbe való visszaforgatásának előnyeit és lehetőségeit bemutassam. A vizsgálatimhoz és a kapott adatok megfelelő kiértékeléséhez, a fafeldolgozó ipar alapjait és technológiai újításait lefektető szakirodalmat használtam fel. A méréseimet laboratóriumi körülmények között végeztem, a hatályos szabványok betartásával. A vizsgálati mintákon nedvességtartalom, elemi összetétel, égésmeleg és hamutartalom meghatározását végeztem, hogy az adott minták fűtőértékét meghatározhassam. A kapott eredmények alapján arra a következtetésre jutottam, hogy a fűrészüzemi fafeldolgozás során keletkező melléktermékek energetikai hasznosítása és a visszanyert energia, termelésben való felhasználása, jelentősen elősegítheti az üzemeket a gazdaságos működtetését.

5 Tartalomjegyzék 1. BEVEZETÉS A LOMBOSFÁK FELÉPÍTÉSE... 1 Fűrésziparban leggyakrabban használt fafajták... 2 A tölgyfa... 2 Bükk FŰRÉSZÜZEMI TECHNOLÓGIA ALAPANYAGOK SZÁLLÍTÁSA ÉS KEZELÉSE FELDOLGOZÁS ELŐTT Az alapanyagok átvétele Az alapanyag tárolása Alapanyag kezelés VÁGÁSI TECHNOLÓGIÁK ÉS KIHOZATAL A KÉSZÁRUTÉR FOLYAMATAI Gőzölés Szárítás A FŰRÉSZIPARI FELDOLGOZÁS ENERGIAIGÉNYE A FŰRÉSZIPARBAN KELETKEZŐ MELLÉKTERMÉKEK Melléktermékek hasznosítási sémája Melléktermékek kezelése A melléktermékek tárolási technológiája A hulladék hasznosítás alapjai A FŰRÉSZÜZEMI HULLADÉKOK ENERGETIKAI TULAJDONSÁGAINAK MEGHATÁROZÁSA MÉRÉSEK ELVE Biomassza nedvességtartalmának meghatározása A biomassza hamutartalmának meghatározása A biomassza elemi összetételének meghatározása Égésmeleg meghatározása és fűtőérték számítása A VIZSGÁLATOK EREDMÉNYEI... 41

6 7. A FŰRÉSZIPARI HULLADÉKOKBÓL NYERHETŐ ENERGIA MENNYISÉGÉNEK SZÁMÍTÁSA ÖSSZEFOGLALÓ KÖVETKEZTETÉSEK IRODALOMJEGYZÉK... 49

7 Bevezetés 1. Bevezetés Napjainkban a mindennapi élet részét képezik a fából készült tárgyak, építőelemek és lakberendezési termékek. Ez annak köszönhető, hogy a fából készült termékek számos előnnyel rendelkeznek mind az építőipar mind a lakberendezés szakterületén. A fűrészüzemek elégítik ki az ebből adódó megnövekedett igényeket. A számos fafajtából a hosszú évek során az üzemek tapasztalati úton határozták meg az optimális fafajtákat. A két leggyakrabban használatos fajta a bükk és a tölgy. Ezek a típusok számos olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amik nagyon előnyösek a fűrészipari feldolgozás során. Mivel számos eljárás során keletkezik melléktermék az üzemekben, javítható a feldolgozás gazdaságossága a melléktermékek felhasználásával. A szakdolgozat célja a magyarországi fűrészüzemi termelésben keletkezett melléktermékek energetikai vizsgálata, annak érdekében, hogy ezek megfelelő módon és kellő hatásfokkal felhasználhatóvá váljanak. A megfelelő szabványban foglalt mérések elvégzésével optimalizálható a szóban forgó anyagok célirányosabb felhasználása [1] A lombosfák felépítése A különböző fatípusok eltérő fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, de közös jellemzőjük hogy sejtekből épülnek fel. Ezekben a fákat felépítő sejtekben megkülönböztetünk sejtfalat, és a sejtet feltöltő színtelen kocsonyás anyagot: a plazmát, illetve a sejtmagot. Az elő sejtek falát felépítő matériák szilárd, gázok és a víz számára is átjárható, cseppfolyós szerves élő anyagokból állnak [2, 3]. A műszaki felhasználhatóság aspektusából nézve a fák egy igen fontos minőségi jellemzője a szöveti szerkezet. Mivel a szöveti szerkezet meghatározza a faanyag felhasználhatóságának lehetőségeit, ezért a lombosfák értékes felhasználási módozatai között szerepelnek a különböző fűrészüzemi eljárásokban. A lombosfák felépítése sokszínűbb és szabálytalanabb más fafajták felépítésétől, mivel alapját a farostlemezek adják, illetve bélsugaraik akár több sejtsor vastagságúak is lehetnek. Ezeknek a bélsugaraknak a vastagsága, száma és eloszlása adott egyes fafajok esetében, amely tulajdonságok kihatnak a faanyag felhasználhatóságára. A különböző fák makroszkópos felépítése akár szabad szemmel is megvizsgálható, ha a fa törzséből vagy ágrészéből egy ék alakú metszetet vágunk. A fák keresztmetszetén megkülönböztethetjük a következő részeket, kívülről befelé haladva: külső kéreg, belső kéreg, háncsréteg, kambium, évgyűrű, bél. A kéreg védi a kambiumot a különböző külső behatásoktól és a kiszáradásról. A kéreg a fa törzsének növekedését követi, aminek külső rétege elszárad és fafajra jellemző módón berepedezik és gyűrűkben, szalagokban leválik a fa 1

8 Bevezetés törzséről. A kéreg a fa feldolgozásakor melléktermékként jelentkezik, ezért fontos a megfelelő kezelése a fafeldolgozási iparban [3, 4]. Fűrésziparban leggyakrabban használt fafajták A fa számos kedvező műszaki tulajdonsága miatt a legfontosabb nyersanyagok egyike. A világ nyersanyagtermelésében a faanyag értékében és mennyiségében is megelőzi a nyersvasat, az acélt, a nyersolajat és a második helyen áll a kőszén mögött [3]. A faipar által feldolgozott faanyag legnagyobb mennyiségét a fűrészipar használja fel. Mivel a fűrészipar húzóágazata a faiparnak, ezért a fűrészüzemek igyekeznek a lehető legmegfelelőbb minőségű és tulajdonságú faanyagokat feldolgozni, ezzel biztosítva a késztermékek megfelelő minőségét. Az üzemek a fenyőfélék mellett az úgynevezett kemény fákat részesítik előnyben. A keményfák, mint a tölgy vagy a bükk, olyan mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek, hogy, esztétikailag is megfelelnek a kívánt minőségnek, ezért biztosítják a kiváló feldolgozhatóságot. Mivel Magyarország gazdag bükk- és tölgyfa forrásokkal rendelkezik, ezért a hazai fafeldolgozó ipar nagy mennyiségben használja fel ezeket a fafajokat [2]. A fentiek megfontolása alapján vizsgálataimat hazai bükk- és tölgyfa fajokon végeztem el. A tölgyfa A tölgy, mint az egyik leggyakrabban alkalmazott fafajta a fűrészüzemekben, megfelelő tulajdonságokkal bír a gazdaságos hatékony és feldolgozáshoz. Mivel a geszt a legtöbb esetben gombaálló, ezért ritkán támadják meg gombafajok. Gyakran eléri a 45 m-es magasságot is, ez és a jellegzetes egyenes törzse valamint laza szövetei kiváló feltételeket biztosítanak a feldolgozás során [5]. Természeti adottságai miatt könnyen megmunkálható, de csak gőzölés után hámozható. Keményfa lévén magas szilárdsági mutatókkal rendelkeznek a tölgyfa fajok, ami különösen előnyős mivel szerkezeti elemekként, teherbíró cölöpökként, és egyéb más magas szilárdságot követelő alkotórészekként is hasznosíthatók. Hajlító szilárdsága kivételes, mert MPa közötti értéket mutat. A tölgy rönk, szálfa, talpfa és fűrészáru termékeket ad. Szárítását nagyon lassan és körültekintően kell elvégezni. Faragása, csavarozása nehézkes, mivel 0,4-0,6 MPa hasító szilárdsággal rendelkezik, illetve 7-12 MPa nyíró szilárdsági mutatóval, de hidegen jól ragasztható, csiszolható, felületkezelhető [6]. Magas csersav tartalmának köszönhetően a vízzel szembeni ellenálló képessége kiváló, ezért megfelel az építőipar és hajóipar követelményeinek egyaránt. A tölgyfát a sűrűsége - amely 0,2-1 g/cm 3 közé esik- és a száradáskor történő zsugorodásának mértéke (húr irányban 6-8%, sugár irányban 4-5%) is megfelelővé teszi a fafeldolgozó ipar számára [3]. 2

9 Bevezetés Bükk A bükk keményfa, időjárás állósága kicsi, és fülledékeny is, ezen kívül rovarok gyakran károsítják. Szárítását nagy körültekintéssel kell végezni, mivel könnyen reped és vetemedik is. Egyszerűen csavarozható, ragasztható és felületkezelhető. Mivel szerkezete egyenes szálú, sűrűsége 0,3-1 g/cm 3, ezért könnyen megmunkálható minden szerszámmal. Mivel kiválóan alakítható, gőzöléssel jól hajlítható és a száradáskor bekövetkező zsugorodás mértéke (húr irányban 10-12%, sugár irányban 3-5%) is alacsony, ezért a belső építészetben gyakran használják a bükkfa termékeket. Kültéri alkalmazása azonban nem lehetséges, mivel kis cservas tartalma miatt nem időjárásálló. Mivel magas hőmérsékleten ég, és jó fűtőértékkel rendelkezik, ezért jól hasznosítható használati melegvíz és hőenergia előállításához is. A bükkfa MPa hajlító szilárdsággal és MPa nyomó szilárdsági mutatóval rendelkezik [3]. Többek között ez ad okot a magas felhasználási arányra a fafeldolgozó ipar területén. Ezek a jellemzők lehetővé teszik a bükkfa széleskörű felhasználását, amit nem csak Magyarországon, de szerte a világon is előszeretettel használnak ki a fafeldolgozó üzemek. A fűrészüzemekben leggyakrabban alkalmazott két fafaj bemutatott műszaki jellemzői fontos szerepet játszanak a feldolgozás során, mivel a faanyagok felhasználási lehetőségeit legfőképpen a szöveti és mechanikai tulajdonságok határozzák meg [1]. Mivel minden szerkezet egy adott szerepet tölt be, ami eltérő területeken más és más igénybevételekkel jár. A legnagyobb mechanikai követelmények a tartószerkezeti elemekkel szemben vannak, de bizonyos faburkolati anyagok kopásállósága, nyomószilárdsága is fontos szerephez jut. A faanyagok szilárdságát tulajdonképpen a terhelés módja és iránya határozza meg, ennek ellenére a fizikai tulajdonságok, szöveti jellemzők is nagymértékben befolyásolhatják, módosíthatják [1-3, 7, 8]. 3

10 A fűrészüzemi technológia 2. Fűrészüzemi technológia A fűrészüzemi technológia számos fontos lépésből áll, amelyek során jelentőséggel bírnak a faanyagok mechanikai, fizikai tulajdonságai. Technológia főbb lépései: szállítás osztályozás mérés vágás megjelölés szárítás/gőzölés csomagolás A fűrészipar a legnagyobb múlttal rendelkező elsődleges fafeldolgozási iparág. Jelenleg hazánkban a FATÁJ felmérése alapján 138 üzem üzemel [9]. Ha életvitelünk bármely területét figyelembe vesszük, elkerülhetetlenül találkozunk a fűrészüzemekben gyártott termékekkel. Ez a tény azt is mutatja, hogy a fűrészüzemek termékeire magas kereslet van a világban Alapanyagok szállítása és kezelése feldolgozás előtt A fűrészüzemekbe érkező alapanyagok különböző formában érkezhetnek a feldolgozásra és ennek függvényében lehetnek fűrészrönk, feldolgozási fa, illetve egyéb speciális célra történő felhasználásra szánt anyagok [10]. Az alapanyagok szállítása vízi, vasúti és közúti szállítással történik. Napjainkban a fűrészrönköket túlnyomórészt szárazföldi úton szállítják. Hazánkban is leginkább a közúti szállítás használatos a gyakorlatban, mivel a vasúti szállítás jóval drágább és komplikáltabb, bár előnye, hogy nagy távolságokból is beszállíthatók az alapanyagok. A közúti szállítás általában speciálisan erre a célra kialakított tehergépkocsikkal történik [11] Az alapanyagok átvétele Az üzemekbe érkező alapanyagok lepakolása után következik az alapanyagok átvétele. Az átvétel során az üzem ellenőrzi, hogy a szerződésben rögzített minőségű és mennyiségű alapanyag került-e az üzembe. Különösen fontos a művelet az üzemek gazdaságossága 4

11 A fűrészüzemi technológia szempontjából, mivel a fűrészüzem költségeinek legnagyobb hányadát (kb %) az alapanyag beszerzési költsége teszi ki, ezért fontos, hogy a beszerzett alapanyag milyen minőségű [12]. A gyakorlatban használatos ellenőrzési formák: Egyedi mérés Sorszám ellenőrzés Darabszám ellenőrzés Térfogati ellenőrzés Tömeg szerinti ellenőrzés Elektronikus darabszám és térfogat ellenőrzés [11] Az alapanyag tárolása Minden fűrészüzemnek fontos, hogy legyen tartalék készlete, amellyel bizonyos beszállítási zavarok esetén (pl: nem megfelelő időjárási viszonyok, beszerzési nehézségek stb.) is zavartalanul működhet az üzem. A gyakorlatban a szárazföldi tárolási módozatok az elterjedtek, mivel a technológia így optimalizálható. A fűrészrönköket általában szárazföldön úgynevezett máglyákban tárolják. A máglyákkal szemben számos követelmény van, de a legfontosabb azok kialakítása, hogy a szállítóberendezésekkel könnyen le és fel pakolhatók legyenek. Annak érdekében, hogy a tárolt rönkök ne érintkezzenek a talajjal, a humuszréteget el kell távolítani, alátéteket kell alkalmazni, illetve ha szükséges biztosítani kell a talajvíz elvezetést és kavicsréteget kell hordani a máglya alá [11] Alapanyag kezelés A rönkök kezelésének célja, hogy a lehető legkevesebb hibával kerüljenek feldolgozásra. Kezelések sorozatára van a szükség ahhoz, hogy az értékcsökkenést jelentő hibákat a lehetőségekhez mérten minimalizáljuk. Gyakori kezelési módszerek A faanyag tárolása, (akár erdőben, akár fűrészüzemben történik), a tárolási időtartamtól, évszaktól és fafajtól függően kezelési intézkedéseket igényel, hogy a kívánt minőséget megtartsa. Leggyakrabban értékcsökkenést az időjárás, gombásodás és a rovarok okoznak. A megfelelő védelem biztosításához a fa kitermelése után a lehető leghamarabb, meleg 5

12 A fűrészüzemi technológia évszakban kell elvégezni. A nedvnyugalom ideje alatt kitermelt faanyag kevésbé érzékeny, mint a nyáron és tavasszal kitermelt [12]. Időjárás okozta károk Lombosfák esetében leginkább bütürepedésekhez vezetnek az időjárás hatásai. Ezzel a repedések kihozatali és minőségi csökkenésben, ami nyári hónapokban akár 7 % is lehet. A repedések létrejöttének oka, hogy a fa három fő irányában a zsugorodási érték eltérnek, illetve a növekedési feszültségek is gyakran repedezettséghez vezetnek. Bütüfelület védelem lombos fáknál A rönkök bütüfelületén található nyitott pórusok elősegíthetik a kiszáradás és a repedések megjelenését a törzsvégeken. Mivel minél mélyebb repedések keletkeznek a faanyagban annál nagyobb a kihozatali veszteség, ezért a nyitott pórusokat a bütüfelületén el kell zárni, hogy lecsökkentsük a kiszáradás mértékét. Gombakárok A megfelelő védelmet a gombák ellen csak úgy tudjuk kiküszöbölni, ha ismerjük a károsító gombafajok növekedésének feltételeit, és ezeket a lehető legkedvezőtlenebbé tesszük. Gombásodás előidéző körülmények a magas nedvességtartalom, meleg hőmérséklet és a csekély légmozgás. Kémiai védekezés A kémiai védőszerek közül már számos fajta választható, viszont kizárólag frissen kidöntött fáknál használható és csak felületi védelmet biztosít. A kémiai védőszerek mindamellett, hogy további költségeket okoznak, csakis olyan esetben használhatók, ahol a közvetlen közelben nem található természetes vízforrás [10, 11, 13-15] Vágási technológiák és kihozatal A megfelelő minőséget biztosító alapanyag kezelés után, a következő technológiai lépés a rönkök vágása, fűrészelése. Ez a technológiai folyamat különösen nagy jelentőséggel bír az üzemekben, mivel a rönkök feldolgozásának módját úgy kell megválasztani, hogy a rönk hibái ne jelentkezzenek a terméken, a lehető legkevesebb melléktermék keletkezzen, és a mennyiségi kihozatal megfeleljen a gazdaságos működéshez. Az alapanyag alaki tulajdonságai, a fűrészelési mód, a termékek mérete, a fűrészeléskor alkalmazott gép, valamint a mennyiségi kihozatal között szoros összefüggések vannak. 6

13 A fűrészüzemi technológia A rönkök kérgezését a rönkök felvágása követi a technológiai sorban. Rönk vágási módját nagyban befolyásolják, a rönk alaki tulajdonságai. Különös hangsúlyt kell fektetni a vágási mód kiválasztásakor arra, hogy az adott alapanyag meglévő alaki és minőségi tulajdonságaival együtt a lehető legnagyobb mennyiségi kihozatalt érjük el [1]. Rönkvágási módok: Élesvágás Prizmavágás Forgatóvágás Riftvágás Csillagvágás Görbefűrészelés Síkforgácsolás Profilforgácsolás Az élesvágás a legelterjedtebb vágási mód, becslések szerint a rönkök 90%-át így dolgozzák fel az üzemekben, mert szinte minden fafajnál alkalmazható gyors, egyszerű és költséghatékony. Ezen eljárás során a rönköket hosszirányban, párhuzamos síkú fűrészeléssel vágják. Nagy előnye az élesvágásnak, hogy maximális készárukihozatalt eredményez, így a keletkező melléktermék mennyisége kicsi. Vágási technológia során itt keletkezik először melléktermék. A további megmunkálás során, mint a szélezés, darabolás szintén felhasználható melléktermékek keletkeznek, amelyek mennyisége függ a darabolás módjától, a szélezés szélességétől, és a használt technológiáktól [16] A készárutér folyamatai A fűrészüzemek központi egysége a készárutér, aminek a feladata különösen sokoldalú. A készárutér területén folyik a fűrészárú válogatása, osztályozása, szárítása, máglyázása és itt pakolják fel a kész termékeket a szállító járművekre. A megrendelők itt láthatják a termelést fafajokként, választékokként, de itt győződhetnek meg a megfelelő minőségről és szárazságról is. A készáruterek általában három nagy munkaterületből állnak, az osztályozótérből, máglyatérből és rakodótérből. A felfűrészelés után a készárutérben történő munkafolyamatok az alábbiak [10]: Szállítás 7

14 A fűrészüzemi technológia Osztályozás Mérés és regisztrálás Méretre vágás Megjelölés Egységrakat képzés Máglya építés Minőségmegóvó tárolás Máglya bontás Újra osztályozás Csomagolás Elszállítás A készárutér egyik legfontosabb feladata, hogy biztosítsa a megfelelő körülményeket a faanyag optimális nedvességtartalmának eléréséhez. A faanyag nedvességtartalma, nagyban befolyásolja a feldolgozhatóságát. A fűrészeléstől a szárításig 10 %-kal csökken a faanyag nedvességtartalma, amely további 30 %-kal csökkenthető természetes szárítással, szárító máglyázással. A készárutér kialakításánál nagy gondot kell fordítani arra, hogy olyan méretű és elrendezésű máglyát alakítsunk ki, hogy az üzemben keletkezett és száraz állapotban felhasználásra kerülő faanyagot légszáraz állapotig lehessen szárítani. A légszáraz állapot természetes szárítással a magyarországi éghajlat mellett, 3-5 hónap szárítással érhető el, ez az időtartam függ a kiinduló nedvességtartalomtól és az adott évszaktól. A természetes szárítás gyorsítható, ha ventillátorokkal növeljük és állandósítjuk a légmozgást. A készárutér kialakításához leginkább a magaslati, száraz, szeles nyílt terek a megfelelőek. A kialakításnál számos tényezőt figyelembe kell venni, mint például a szállítási folyamatok megvalósíthatósága, szükséges rakodó terület, plusz biztosítani kell a fűrészáru huzamosabb idejű tárolását is [10]. Ezen feltételek figyelembe vétele mellett, a készáruteret úgy kell berendezni, hogy gazdaságos szállítás mellett biztosítva legyen az a levegőmozgás, amivel a lehető legjobban kiaknázható az atmoszféra hőenergiája. A készárutéren hézaglécezett máglyázással jelentős mennyiségű víz távolítható el hő-és villamos energia felhasználása nélkül. Máglyázással viszonylag nagy mennyiségű víz párologtatható el a rakatból. A friss fűrészáru nedvességtartalma optimális esetben 50-70%, ez megfelelő készárutéri természetes szárítással 18-20%-ra csökkenthető. A feldolgozó ipar számára ennél sokkal kisebb nedvességtartalomra van szükség, ezért minden esetben mesterséges szárításra is szükség van. Tehát a fűrészáruk 70-75%-át mesterséges szárításnak is alá kell vetni [17]. 8

15 A fűrészüzemi technológia A máglyákkal, fűrészáruval megtöltött készáruterek különleges légállapottal rendelkeznek, a nyirkos, hűvös levegő lassú mozgása érzékelhető, főként ha friss faanyagból állnak a máglyák. A készáruterek területén a levegő mért nedvességtartalma jelentősen nagyobb, illetve a mért hőmérséklete 1-1,5 C-kal alacsonyabb két méteres magasságban, mint a nyitott területeken. A készárutéri levegőnek és a rakat elhelyezésének hatására különbező állapotok léphetnek fel a máglyába, amelyeket befolyásolja a máglya környezete, tömörsége és a faanyag nedvesség tartalma[10] Gőzölés A gőzölés kiemelten fontos technológiai lépés a fűrészüzem feldolgozásban, mivel a természetes faanyagok nagy része gőz és/vagy forró víz hatására előnyösen megváltoztatják bizonyos tulajdonságaikat. Faanyagok esetében ezt a hőkezelő eljárást nemesítésnek nevezzük. Energetikai szempontból is fontos a gőzölési folyamat megismerése és optimalizálása, hiszen a fűrészüzemek egy jelentős energiaigényű eljárásáról beszélünk A gőzölés célja a gyakorlatban egy meghatározott anyag tulajdonság elérése vagy javítása, amelyek az alábbiak lehetnek [1]: szárítási idő csökkentése, faanyag sterilizálása, faanyag színének előnyös megváltoztatása, faanyagfeltárás, mesterséges szárítás megkönnyítése, feszültségek csökkentése, vízfelvevő képesség csökkentése, megmunkálhatóság javítása, faanyag telíthetőségének előkészítése, vízben oldódó inkruszt anyagok eltávolítása. A gőzölés hátrányos hatásai [1]: csökken a hajlító szilárdság, fülledés állapota romolhat, gombásodás, rovartámadás lehetősége fokozódik. A fűrészáruk közöléséhez atmoszferikus vagy túlnyomásos gőztér alkalmazható. Hazánkban leginkább az atmoszférikus gőztérrel rendelkező gőzölési berendezéseket alkalmaznak. A 9

16 A fűrészüzemi technológia fűrészüzemi gőzölés hőmérsékletét az adott fafaj határozza meg, amelyet bükk és tölgyfára vonatkozóan a 2.1. táblázat tartalmaz táblázat. Javasolt hőmérséklet fűrészáru gőzöléséhez [1] Fafaj Hőmérséklet, C⁰ Bükk Tölgy A hatékony gőzölésnek feltétele a faanyag rosttelítettségi nedvességtartalmánál magasabb nedvességtartalom. A gőzölésnek akkor optimális a hatásfoka, ha a kitermelés és a gőzélés között kevés idő telik. A gőzölés legfontosabb paraméterei a gőz nyomása és a hőmérséklete (2.1. táblázat). A faanyag gőzölés hatására jól alakíthatóvá válik, csökkennek a szárítási károk előfordulásának lehetőségei. A vízfelvevő képessége megváltozik a faanyagnak, a dagadási és zsugorodási képessége pedig negatív irányban változik. A megfelelő és egyenletes színárnyalat eléréséhez, a gőzölést magas faanyag nedvességtartalom mellett szükséges elvégezni. A vágás után közvetlenül történik a gőzölés, bár a bükk fűrészáru 20%-os nedvességtartalom alatt gőzölve nem mutat színelváltozást [4, 15, 18]. Gőzölési idő meghatározása A gőzölési folyamatok három jól elkülönített szakaszból állnak: felfűtés, gőzölés, lehűtés. Felfűtési szakaszról a gőzbefúvás kezdetétől a gőzölési hőmérséklet eléréséig beszélünk. A teljes felfűtési szakaszban a gőztér hőmérsékletét egyenletesen és mérsékletesen kell végezni, a gőzölendő faanyag károsodásának kiküszöbölése miatt. A gőzölési szakasz teljes tartományában a hőmérsékletet állandó értéken kell tartani, és biztosítani kell a folyamatos gőztelítettséget a gőztérben. A lehűtési szakasz a gőzszelep elzárásával indul meg, majd a kamra nyitásával végződik. Ebben a szakaszban történik a teljes kondenzvíz mennyiség eltávolítása is. A felfűtési szakaszhoz hasonlatosan itt is egyenletes hőmérsékletváltozást kell biztosítani. A szakaszok időtartamának meghatározására nincs alkalmazott számítási módszer, a folyamat időigénye leginkább a faanyag vastagságától és nedvességtartalmától illetve a külső hőmérséklettől, használt berendezés adottságaitól függ [1, 4, 18, 19] Szárítás A szárítás kulcsfontosságú lépés a faanyagok feldolgozásakor. A fűrészáru nedvességtartalma nagyban befolyásolja annak feldolgozhatóságát, alakíthatóságát (2.2. táblázat). A nagy nedvességtartalommal feldolgozott faanyag könnyen repedezik, vetemedik, és a feldolgozás után nagymértékben zsugorodhat is, tehát nem méret és alaktartó. A nedves faanyag nem 10

17 A fűrészüzemi technológia megfelelő felületkezelésre, hajlamos a fülledésre és gombásodásra, és egyáltalán nem ragasztható. Maga a szárítás egy meghatározott módon irányított technológiai folyamat. A szárítás történhet természetes, illetve mesterséges szárítással. Legnagyobb eltérés a két módozat között az elérhető legkisebb nedvességtartalomban van. Mivel a feldolgozó ipar alacsony nedvességtartalmat igényel, mindenképpen szükséges a faanyagok mesterséges szárítása is [19] táblázat. Faanyagok átlagos nedvességtartalma [1] Nedvesség tartalom (%) Frissáru Természetes szárítás nélkül Természetes szárítással További ipar Alakváltozás száradáskor Amíg a faanyag szabad víztartalma elpárolog a fából, semmilyen alakváltozás nem megy végbe, a faanyag nem zsugorodik. A faanyag zsugorodása akkor kezdődik, amikor a fát felépítő sejtfalak nedvességtartalma csökkenni kezd. Emiatt a zsugorodás miatt a faanyag szárításakor elkerülhetetlenül jelentkeznek bizonyos alakváltozási jelenségek. További alakváltozást eredményez a száradás lezajlásakor a faanyag növekedési sajátossága, ilyen változások a kajszulás és a görbülés. A szárítási hőmérséklet növekedésével is arányosan nő a zsugorodás mértéke. Ezeket az elkerülhetetlen alakváltozásokat és zsugorodásokat figyelembe kell venni fűrészüzemi feldolgozás esetén, hogy a melléktermék és selejt keletkezését minimalizálni lehessen [4, 14]. Természetes szárítás A faanyagok természetes szárítása az atmoszférikus levegő kiváló nedvességfelvevő képességének felhasználásán alapszik. A természetes száradás gyorsasága függ a levegő állapotától, azaz hőmérsékletétől, nedvességtartalmától, és a mozgási sebességétől. A levegő ezen paraméterei az adott évszaknak és az ahhoz tartozó időjárásnak a függvényében változnak. Nagyon fontos a megfelelő szárítása a faanyagoknak mivel a szárítási sebesség túlzott növelése vetemedéshez és repedezéshez vezethet, a túl lassú szárítási sebesség pedig gombásodáshoz [14]. 11

18 A fűrészüzemi technológia A természetes szárítás időtartama A száradás időtartamát nagyon sok tényező befolyásolja, ezért eltérő időszükséglet mutatkozik termőhelyenként, egyedenként, de akár áganként is. A fűrészáru nedvességtartalma a környezeti viszonyok, és a már említett levegő paraméterek függvényében a meghatározott nedvességtartalomra csökken. A hazai éghajlati viszonyok között a faanyag természetes szárítással elérhető legkisebb nedvességtartalma körülbelül 15-18% között van. A természetes szárítást befolyásoló tényezők miatt nagyon nehezen állapítható meg a szárítás pontos időtartama. A gyakorlatban használatos összefüggés L. Kassner nevéhez fűződik. Ez a gyakorlati képlet a szárítási időtartamot 40-50%-os nedvességtartalomról a légszárazság felső határáig (18-20%) határozza meg. A leggyakrabban használt fafajok természetes szárításának időszükségletét a 2.3. táblázat mutatja be [14] táblázat. A leggyakrabban felhasznált fafajtákból gyártott fűrészáruk természetes szárításának időszükséglete %-os kiinduló nedvességtartalomról 18-20%-os végnedvesség tartalomig. [14] Fafaj Vastagság (mm) Szárítási időszükséglet (nap) Lucfenyő Erdeifenyő Kocsányos és kocsánytalan tölgy Csertölgy Bükk Akác Nyár Mesterséges szárítás Mesterséges szárítás esetén nagyon kedvező a természetesen előszárított fűrészáru. Az alacsonyabb kezdő nedvességtartalommal rendelkező faanyag lényegesen rövidebb idő alatt, kevesebb energiafelhasználással szárítható ki. A mesterséges szárítás alapja, hogy a faanyag felületét folyamatosan nedves meleg levegővel öblítik át. A szárító levegő nedvességtartalma és hőmérséklete nagy jelentőséggel bír a száradási folyamat során. Megfelelő minőségű levegő alkalmazásával gyors és hiba mentes szárítás érhető el, de ennek hiányában lassú száradás és selejt gyártás lesz a következmény [14]. 12

19 A fűrészüzemi technológia Konvekciós szárítás A gyakorlatban a konvekciós szárítás a leggyakrabban alkalmazott szárítási mód. A technológia során alkalmazott hőmérséklettartomány C intervallumba esik. Népszerűségének legfőbb oka az, hogy bármely fafajra alkalmazható, és bármilyen kezdő nedvességtartalomról 6%-os végnedvességig történhet a szárítás. Faanyag mérete és alakja kötetlen, így nem igényel komolyabb szelektálást a szárítandó anyag, és a szárítás intenzitása is a közepesen magas tartományba esik. Kondenzációs szárítás Kondenzációs szárítás esetén a rakatból eltávozó meleg, magas nedvességtartalommal rendelkező levegőből eltávolítják a gőztartalom nagyrészét. Az alkalmazott hőmérséklet tartomány (70) C. A konvekciós eljáráshoz hasonlóan, ez a szárítási mód is alkalmas minden fafaj kezelésére. A szárítás 70%-os nedvességtartalomról 10-12%-os végnedvességig történhet, ezzel az igen lassú intenzitású eljárással. Magas hőmérsékletű szárítás A magas hőmérsékletű szárítás esetében az alkalmazott hőmérséklettartomány (150) C közé esik. Fenyőfélék alkalmazásához ajánlatos ez a technológia. Bármilyen kezdő nedvességtartalomról 6-4%-os végnedvesség valósítható meg. A használható faanyag vastagság korlátozott, mm közé esik. Igen magas intenzitással történik a szárítás [1, 14, 18]. 13

20 A fűrészipari feldolgozás energiaigénye 3. A fűrészipari feldolgozás energiaigénye A fafeldolgozási technológiák folyamatos fejlesztése, korszerűsítése, a megnövekedett géphasználat, a legkorszerűbb technológiák elterjedése, az automatizáltsági fok emelkedése, illetve a minőségi, környezetvédelmi és egészségügyi követelmények szigorodása mind hozzájárul a faipari üzemek energiafelhasználásának növekedéséhez. A műszaki fejlődésnek köszönhetően részben csökkenthető az üzemek fajlagos energiafelhasználása, de összességében az üzemeknek sokkal nagyobb energiaigényük van napjainkban, mint néhány tíz évvel ezelőtt. A fűrészüzemekben a felhasznált energia lényegében hő- és villamos energiára különíthető el [20]. Villamos energiát igénylő üzemi berendezések: Faipari termelőgépek és berendezések, és az üzemeltetésükhöz elengedhetetlen gép és szerszám-karbantartási berendezések. Technológiai anyagmozgatás, raktározás berendezései. Por és forgácselszívó és szállító berendezések Gőz-gáz elszívó berendezések Légtechnikai rendszerek Emelő és szállító berendezések Technológiát kiegészítő berendezések o világítás o hidraulikus berendezések o kalorikus készülékek o sűrített levegő eljárás. A 3.1. ábrán láthatjuk a fűrészüzemek átlagos villamos energia felhasználásának arányait. A legnagyobb arányt a technológiai folyamatok villamos energia igénye teszi ki. A légtechnikai berendezések, mint por-, és forgács elszívók és szárító berendezések energiafelhasználása is jelentős egy fűrészipari üzem esetében [20]. 14

21 A fűrészipari feldolgozás energiaigénye 3.1. ábra. Fűrészüzemek villamos energiaszükségletének megoszlása [20] Hőenergiát felhasználó berendezések: Technológiai berendezések o termikus hőkezelő berendezések szárítók gőzölők fanemesítők Fűtés Melegvíz szükségletet kielégítő berendezések A legtöbb kutatásban, ami azt vizsgálta, hogy a fafeldolgozó üzemekben hogyan oszlik meg az energiafelhasználás, arra a következtetésre jutottak, hogy még az 1980-as években általánosan kb. 80 %-ban hőenergiát és 20%-ban villamos energiát igényeltek az üzemek, napjainkban ez akár elérheti az 50-50%-ot is. Villamos energia felhasználás tekintetében a legkiemelkedőbb részarányt a technológiai berendezések (45-60%) adják, ezt követik a por és forgács elszívóberendezések (22-28%) és a szárítók kisegítő berendezései, ami akár a 10%-ot is meghaladhatja. A hőenergiaigény leginkább a technológiai berendezések és az infrastruktúrát kiszolgáló berendezések között oszlik meg 55-45%-ban. Mivel az üzemek egyre korszerűbb és nagyobb gépparkok használatához folyamodik, a vásárlói igények kielégítésének céljából, ezért a termékek előállításhoz szükséges energiaigény nagy mértékben megemelkedett [20]. A fűrészüzemek egyik legfontosabb eleme, a faanyag megfelelő mértékű és minőségű szárítása, mivel ez a folyamat nagymértékben befolyásolja a késztermék minőségét. A szárítás 15

22 A fűrészipari feldolgozás energiaigénye az egyik legnagyobb energiaigényű folyamat a fűrészüzemekben, a szárítási folyamat villamos- és hőenergia szükségletének megoszlási arányát a 3.2. ábra mutatja be. Általában a szárításhoz szükséges hőmennyiséget fűtőtestek segítségével biztosítják. Mivel számottevő hőmennyiség szükséges a falak, mennyezet, aljzat, faanyag, technikai berendezések, szállítóberendezések, hézaglécek felmelegítéséhez, ezért ez a folyamat jelentősen megnöveli az üzemek energiaigényét, amelyet a 3.1. táblázat szemléltet táblázat. Faanyagok szárítási energiaigénye [18] Faanyag sűrűség (kg/m 3 ) Fajlagos hőszükséglet (KJ/kg) Nyáron Télen u=100%-->30% u=30%-->6% u=100%-->30% u=30%-->6% ábra. Szárítás hő- és villamos energiaszükségletének megoszlása [20] Jól látható, hogy jelentős energiaigénnyel rendelkezik egy fűrészüzem, amely energiaigényt úgy kell biztosítania, hogy az üzem gazdaságosságát fenn tartsa. Ennek eléréséhez az üzem a termelés nem csekély energiaigényének egy részét önállóan is elláthatja, melléktermékek, hulladékok energetikai hasznosításával. A vágási technológia során keletkező melléktermékeket lehetőségük szerint igyekeznek az üzemek felhasználni, energiává alakítani, amit aztán visszaforgathatnak a termelésbe. Erre alkalmas és legnépszerűbb energia 16

23 A fűrészipari feldolgozás energiaigénye kinyerési mód, a faanyag melléktermékek energetikai hasznosítása, mivel a keletkező fahulladékok nedvességtartalma kedvező, köszönhetően annak, hogy a vágási technológiákat is a természetes szárítás után szokták alkalmazni. A faanyag nedvességtartalmának csökkenése pedig fűtőérték növekedéshez vezet. A fahulladékok elégetésével keletkező hőmennyiség, figyelembe véve a tüzelőanyag folyamatos jelentős mennyiségű keletkezését, komoly energiaforrás lehet. A fűrészüzemek területén főként forgács és apríték keletkezik, amelyek szállítása és tárolása jelentős többletköltséget jelentene. Minden fűrészüzem nagy mennyiségű és folyamatos fahulladékot is termel a termékek előállítása közben, amelyek elégetéséből nyert hőenergia visszaforgatható a termelési folyamatba. A fahulladékok megfelelő berendezésekkel hőtermelésre felhasználhatóak, az így nyert energiával pedig gazdaságosan megoldható az üzem és létesítményeinek fűtése, meleg víz ellátása, és technológiai hőenergia biztosítása. Az égetés során keletkező forró füstgáz megfelelő elvezetésével biztosíthatók különböző mesterséges szárító folyamatok energiaigényei is. Köztudottan a fűrészüzemek legnagyobb energiaigényű folyamatai a szárítás és a gőzölés, ezért rejlik olyan nagy lehetőség a fahulladékokból visszanyert energia gyártási folyamatokba történő integrálásának [16, 17, 21]. A szakdolgozatomban a célom a gazdaságosságot növelő mutatók javítása volt, amelyet a szükséges vizsgálatok elvégzésére alapoztam [18, 20]. 17

24 A fűrésziparban keletkező melléktermékek 4. A fűrésziparban keletkező melléktermékek A fűrésziparban a faanyagokból származó melléktermékek keletkezése nem csak folyamatos de nagy mennyiségű is, amint azt a 4.1 táblázatban jól láthattuk. Mivel folyamatos nagymennyiségű melléktermék keletkezik a fafeldolgozás során, ezért nagy hangsúlyt kell fektetni az üzemeknek ezek kezelésére. A fűrészüzemi fafeldolgozás során elkerülhetetlen tényező a melléktermékek keletkezése, mivel a technológiai folyamat során számos helyen illetve különböző mennyiségben és minőségben jelenik meg anyagveszteség, amit a 2.2. fejezetben jól láthatunk. A fűrészüzemben keletkező melléktermékek mennyisége függ: éves felfűrészelt mennyiségtől, rönkök átlagos középátmérőjétől, vágás programjától (léc, deszka, palló stb.), vágásmódtól (prizmavágás, éles vágás stb.), rönkminőségtől (tárolási hibák, növekedési hibák stb.), vágásrés nagyságától, fűrészelési technológiától (szalagfűrész, keletfűrész) Jelentős szerepet kell, hogy kapjanak minden fűrészüzem esetében, azok az alapelvek, amelyek elősegítik a környezeti terhelések mérséklését. Ilyen elvek a következők: a felhasználás hatékonyságának növelése, az energia és nyersanyag felhasználás csökkentése, hulladék mennyiségének csökkentése, hulladék által generált környezeti hatások mérséklése, természeti erőforrások megóvása, a keletkező hulladék mennyiségének és veszélyességének mérséklése, A keletkező melléktermék hasznosítása a lehető legnagyobb arányban, a fogyasztás és termelés körforgásának biztosítása, a természetre és az emberi egészségre, hulladék által kifejtet terhelésének csökkentése [22]. 18

25 A fűrésziparban keletkező melléktermékek Melléktermékek csoportosítása Alak szerinti felosztás: szemcsés (csiszolatpor, fűrészpor), rostos (faforgács), lap formájú (széldeszka), darabos hulladék (kéreg, apríték), zömök ( tönk, tuskó) megnyúlt (szélezési eselék) hengeres (hámozási maradvány) kihegyezett (döntési, darabolási hulladék),[23] Nedvességtartalom szerint: száraz ( Q<25%) nedves (25% < Q < 50%) nagyon nedves ( Q>50%) Ahol a Q a faanyag száraz súlyára vetített nedvességtartalom. [23] 4.1.táblázat. A fűrészüzemi hulladék átlagos összetétele [22] Megnevezés Térfogat százalék (%) Csak felfűrészelés esetén Esetleges keresztmetszeti megmunkálás esetén Fűrészáru Darabolt hulladék Fűrészpor Forgács (gyaluláskor) Kéreg 6 7 Teljes famennyiség Az 4.1. táblázatban megfigyelhető adatok alapján levonhatjuk a következtetést, hogy magas a hulladékképződés aránya, mivel a fűrészáru teljes faanyagának csak a 68 tf.%-a felfűrészelés esetén. A fűrészipari megmunkálás során leginkább darabos hulladék, fűrészpor és forgács keletkezik. Ezek az anyagok az elsődleges megmunkálás során keletkeznek, ahonnan a másodlagos feldolgozásra szállítják az anyagokat, ahol további melléktermékek keletkeznek [22]. 19

26 A fűrésziparban keletkező melléktermékek Melléktermékek tulajdonságai változó nedvességtartalom (9-60%), változó halmazsűrűség (0,12-0,8 t/m 3 ), változó összetétel (fafaj,kéregtartalom), ipari igényeket nem elégíti ki, nagy távolságokra nem szállítható gazdaságosan, energiatartalma kedvező (14-18 MJ/kg), környezetbarát égésmaradványok, hamutartalma alacsony (0,2-4,5%) [23]. Melléktermékekkel szembeni követelmények Szennyezettségtől való szétválasztása megoldható legyen, A technológiai folyamatra zavaró hatást ne fejtsen ki, A beruházási költsége kedvező legyen, Elszállítása ne legyen zavaró hatású, Munkavédelmi előírásokhoz igazodjon [23]. A melléktermékek felhasználásának szempontjából legfontosabb jellemzőket a 4.2. táblázat és a 4.3. táblázat adatai mutatják be. Jól látható, hogy a keletkező kéreg és forgács szemcseeloszlásának köszönhetően az átlagos szemcseméret mm közötti, ami szintén elősegíti a további felhasználását akár anyagában akár energetikai úton. Átlagos nedvességtartalom esetén jó fűtőértékkel rendelkeznek ezek a melléktermékek, ezért energetikai felhasználással kiválóan hasznosíthatóak, és az így nyert energiát az üzemek gazdaságosan visszaforgathatják a feldolgozás energiaigényébe [23]. 4.2.táblázat. Kéreg és forgács tulajdonságai (fűrészipari kéreg és fűrészpor) [23] Fűtőértéke (u=55% esetén) 7,3 MJ/kg=1752 kcal/kg Nedvességtartalma u=45-60 % Hamutartalma 1-3 % Szemcsenagyság 20 % < 50 mm 10 % > 100 mm Fűtőolaj egyenérték laza m 3 = 1 m 3 olaj 20

27 A fűrésziparban keletkező melléktermékek 4.3.táblázat. Apríték tulajdonságai (hengeres fából, vagy darabos hulladékból) [23] Fűtőértéke (u=45% esetén) 9,0 MJ/kg=2160 kcal/kg Nedvességtartalma u=30-50% Hamutartalma 1 % Szemcsenagyság 10% < 5 mm 1% > 100 mm Fűtőolaj egyenérték laza m 3 = 1 m 3 olaj Melléktermékek hasznosítási sémája A fűrészüzemek esetében is, mint minden más faipari üzemnél különös hangsúlyt kell fektetni a melléktermékek hasznosítására, mivel így plusz energia forgatható vissza a feldolgozásban, aminek a segítségével gazdaságos üzem működés valósítható meg. A fafeldolgozás területén már kialakult egy logikai séma a melléktermékek hasznosításának folyamatáról. A 4.4. táblázatban láthatjuk a folyamat elvi sémáját, ami magában foglalja a keletkező melléktermékek csökkentését, különböző anyagában vagy energetikai úton történő felhasználásukat, teljesen az elkerülhetetlenül keletkező felhasználhatatlan hulladékmennyiség kezelését is. A bekövetkezett technológiai fejlődésnek köszönhetően, mára már számos újrahasznosítási mód, anyagában történő felhasználása érhető el a feldolgozó ipar számára. Ennek a fejlődésnek köszönhetően ráadásul a melléktermékek energetikai hasznosítása is gazdaságosan és környezetbarát módon elérhető az üzemek számára [22]. 4.4 táblázat. melléktermékek hasznosítási sémája [23] Hulladékmennyiség csökkentése Újrahasznosítás Anyag-újrafeldolgozás Komposztálás Égetés visszanyert energiával Égetés nem visszanyert energiával Hulladéklerakás szeméttelepeken 21

28 A fűrésziparban keletkező melléktermékek Melléktermék mennyisége Egy köbméter rönk fűrészelésénél keletkező melléktermék megoszlási arányának adatait találjuk a 4.5. táblázatban. Meglehetősen fontos ismeret ez, abban az esetben, ha a melléktermékek felhasználása a célunk. Az adatokból jól látszik, hogy a feldolgozás során eltérő mennyiségű melléktermékek keletkeznek a keletkezés helyétől és fajtájától függően. Míg például a feldolgozás első szakaszaiban keletkező kéregből és a folyamatok döntő többsége során keletkező fűrészpor mennyisége %, addig az apríték aránya akár az 50 %-ot is elérheti. Fontos tisztában lenni ezekkel az adatokkal, hiszen minden üzem célja a gazdaságos feldolgozás fenntartása, amihez a melléktermékek felhasználása meglehetősen komoly plusz energiát tudd biztosítani [22] táblázat. 1m 3 rönk fűrészelésénél keletkező melléktermékek megoszlása [10] A melléktermék fajtája Keletkezés helye Mennyiség (%) Kéreg Kérgező gép 10 Fűrészpor Minden fűrészgépen 8-19 Szélléc Minden elő- és után vágó fűrészgépnél 8-22 Széldeszka Szélező gépeknél 8-22 Apríték tisztán Aprító- forgácsoló- szélezőmarógépeknél Apríték kéreggel Darabolási hulladék Daraboló- fűrészgépeknél Széláru tartalmazza Rostkiszakadások Keret- szalagfűrésznél Csekély mennyiségben Feldolgozásban keletkező hasznos melléktermékek széldeszka, kéreg fűrészpor szélléc, apríték, darabolási, hibakiejtési hulladék. A keletkező melléktermék mennyisége leginkább az üzemben feldolgozott faanyag mennyiségétől függ. A hazai tapasztalat azt mutatja, hogy a feldolgozott alapanyagnak a 20%- a, a hulladék egy általános állapotú és felszereltségű üzem esetében. 22

29 A fűrésziparban keletkező melléktermékek A melléktermék kezelésénél és a megfelelő szállítási és tárolási mód kiválasztásánál számos tényezőt kell figyelembe venni. Ilyen tényező a melléktermék fajtája, időegység alatt keletkező mennyisége, továbbá a környezetvédelmi előírásokat, szempontokat [22, 23] Melléktermékek kezelése A faipari melléktermékek gyűjtését, tárolását, szállítását előkezelésnek tekinthetjük, mivel ezen lépések nélkül a további feldolgozás sem lehetséges. Az előkezeléshez hozzátartozik még a fahulladék stabilizálásra és a minőségi jellemzők javítása. A melléktermékek kezelésének módozatait számos gyártó által nyújtott berendezések segítik elő, különböző méretben az üzemnagysághoz megfelelően. A keletkező melléktermékek tárolása sok esetben költséges, ami annak a függvénye, hogy az alapanyag milyen technológiai lépéseken megy keresztül, illetve azok során milyen szennyeződések rakodhatnak rá. Bizonyos esetekben ez veszélyes hulladék keletkezését is eredményezheti. A fűrésziparban keletkező fa melléktermék hasznosításának számos módja lehetséges. Visszaforgatható a termelésbe, újrahasznosítható anyagában alternatív tüzelőanyagként, illetve számos vegyi alapú felhasználása is lehetséges. A keletkezett melléktermék általában a következő műveleteken esik át: Gyűjtés: A keletkező melléktermék kezelésének szempontjából ez a művelet a legfontosabb, mivel ilyenkor történik a mérgező, esetlegesen veszélyes anyagok szűrése és különkezelése. Leginkább kevert illetve szeparált gyűjtési fajtákról beszélhetünk. Előkezelés: Ez a művelet elősegíti a további műveletek gazdaságos és hatékony alkalmazását, mivel a kedvezőtlen minőségi paramétereket valamilyen kedvezőbb irányba változtatja meg. Az előkezelésnek fizikai, biológiai és kémiai módszerei vannak. Fűrészüzemekben leggyakrabban alkalmazott előkezelési módszerek az alábbiak: o melléktermék aprítás, o rostálás, o válogatás, o mágneses leválasztás, o víztelenítés, o szemcsézés, o brikettálás. 23

30 A fűrésziparban keletkező melléktermékek Átmeneti tárolás: A melléktermék keletkezése és annak felhasználása közötti időszükséglet miatt kell biztosítani a megfelelő tárolást. Ez az üzemek területén kialakított átmeneti tároló egységekben kell megoldani, úgy hogy a hatályos jogszabályok mellett a szabványoknak is megfeleljen. Szállítás: A szállítási műveletek legnagyobb problémája az, hogy a veszélyes anyagokat szóródás mentesen a megfelelő helyre juttassa. A fűrészüzemek szempontjából különösen fontos a melléktermék szállítás gazdaságos megoldása, hiszen folyamatosan nagy mennyiségű fahulladék keletkezik a termelés során. Felhasználás: A hasznosítás nyilvánvaló előnye az ártalmatlanítás mellet, hogy gazdasági eredménye is van. Ezért különösen fontos a megfelelő hasznosítási lehetőségek kiaknázása. Felhasználható a hulladék direkt tüzeléssel, energetikai célú alapanyaggá való alakítással, anyagában történő felhasználással, illetve vegyi alapú hasznosítással. Minden esetben végső soron felhasználható a keletkező hulladék, fűtési hő és használati meleg víz előállítására [10, 22, 24]. A melléktermékek szállítása technológiája A fűrészüzemi hulladékok nem tekinthetők a szó szoros értelmében hulladéknak, hanem inkább olyan mellékterméknek, amelyet gazdaságosan visszaforgathatunk a technológiai folyamatokba, ezért nagy jelentőséggel bír azok gyűjtése a kezelés helyén, majd elszállítása és a további felhasználásig tartó tárolása. Az üzemben keletkező hulladékok szállítása különböző berendezésekkel történhet. A szállítóberendezés fajtáját két fontos tényező befolyásolja, a megmunkáló gépek típusa és a melléktermék halmazállapota. A megfelelő módozat meghatározásánál figyelembe kell venni a hulladék számos technológiát befolyásoló tényezőjét. Legfőbb befolyásoló tényezők: szállítandó anyag minősége (darabos, por), szállítandó anyag mérete, szállítandó anyag mennyisége, szállítandó anyag eloszlási képessége, Szintkülönbségek, Maximális hossz építhetősége, üzemeltetési költség, 24

31 A fűrésziparban keletkező melléktermékek téli üzemelés egyenletessége, Környezetvédelmi előírások ( szennyezés, zaj, stb.).[10] A melléktermékek tárolási technológiája A fűrészüzemi melléktermékek tárolását és annak megfelelő módját az határozza meg, hogy milyen halmazállapotban (darabos, por) keletkezik. A további feldolgozásig szükséges kialakítani a megfelelő tárolási közeget, ami biztosítja a melléktermékek, további feldolgozásnál előnyös jellemzőik megóvását. Apríték és fűrészpor tárolása lehetséges: sima felületen kupacokban, konténerekben, bunkerekben, bokszokban, silókban [10]. Használatos még a darabos hulladék ideiglenes tárolására a kalodák és a kötegelés alkalmazása. Kupacokban történő tárolás esetén számolni kell az adott anyagra jellemző rézsű szög nagyságával amit a táblázat mutat be: 4.6. táblázat. Melléktermékekre jellemző rézsüszög [10] Melléktermék fajtája Kéreg őrölve Kéreg darabosan Apríték Apríték kéreggel Fűrészpor Rézsüszög Tárolás konténerben Ez a tárolási módszer optimálisan alkalmazható kis és középüzemeknél illetve fűrészpor tárolására. Könnyen kezelhető tárolási mód, csak a konténerek cseréjét kell megoldani. Meghatározza a szállítóberendezés kialakítását mivel ügyelni kell a konténerek egyenletes feltöltésére, vagy gondoskodni kell a konténeren belüli szétterítéséről. A konténer profilja általában kocka vagy téglatest. 25

32 A fűrésziparban keletkező melléktermékek Bunkeres tárolás A bunkeres tárolási módot általában közép és nagyüzemekben használják mivel nagy mennyiségű hulladék tárolására alkalmas. A bunkerek optimális feltöltése miatt, a töltés felülről történik. A bunkereknek fedettnek kell lenniük, az oldalfalaik készülhetnek betonból vagy vaskeretbe ágyazott vastag pallókból. Bizonyos időnként a bunkert teljesen ki kell üríteni, ezzel biztosítható a hosszú távú felhasználhatósága. Kalodás tárolás Ezt a tárolási módot kizárólag darabos hulladéknál használják. Kötegelt tárolás Darabos hulladék tárolására használják, a kötegelést végezhetik nylon kötéllel, dróttal vagy acélpánttal. A cm-es kötegeket egymásra pakolva tárolják. Silók Kétféle típust alkalmaznak fűrészüzemekben az egykamrás és a kétkamrás silókat. Fontos a silók kiválasztásánál figyelembe venni a tárolni kívánt anyagtípust és annak legfőbb jellemzőit a megfelelő megtölthetőség és kiadagolás miatt [10] A hulladék hasznosítás alapjai A legfőbb cél a fűrészüzemi melléktermékek hasznosítása során, hogy a felhasznált nyersanyagok és keletkező fahulladékok mértéke csökkenjen, illetve az elkerülhetetlenül keletkező melléktermékek újrahasznosítása megtörténjen. A fűrészüzemekben keletkező hulladékok hasznosítására több mód is van. A faalapú melléktermékek újrahasznosításának előnyei: csökkenti vagy akár teljesen megszünteti a környezetszennyezést, csökkenti a természeti erőforrások használatát, jelentős energia megtakarítással jár. Hasznosítási módszerek: energetikai felhasználás újrahasznosítás 26

33 A fűrésziparban keletkező melléktermékek anyagában történő felhasználás vegyi hasznosítás [11] Újrahasznosítás Gazdasági és környezetvédelmi szempontból is fontos a folyamat, mivel a hasznosítás költsége jóval alacsonyabb hosszú távon mint a raktározás és a tárolás közben is lebomlik a melléktermék így azonban felszabadul a CO2 de energia nem származik belőle. Az újrahasznosítás gazdaságosságának az alapja, hogy a kitermelt másodlagos nyersanyag kisebb költségeket jelentsen az üzemnek mint az elsődleges. A felhasználás lényege, hogy a fába zárt energiát minél inkább megőrizzük és felhasználjuk, mielőtt az atmoszféra engednénk [25]. Anyagában történő felhasználás A fahulladékok egyik újrahasznosítási módszere a lapszerkezetekben való újrahasznosítás. A fűrészüzemekben keletkező fűrészpor, darabos hulladékok, forgácsanyagok, megfelelő kezelésével és alakításával nagy mennyiségű alapanyag biztosítható ezen termékek gyártásához. A modern berendezések által fafajtól és melléktermék halmazállapottól függetlenül felhasználhatók erre a célra a fahulladékok. Mivel a fákat építő részecskék nagyszerűen ragaszthatóak szervetlen és szerves anyagokkal, könnyen megfelelő méretűvé és alakúvá formázhatóak a melléktermékekből keletkező termékek. A technológiát elősegíti még, hogy az elemi farészecskék külön kötőanyag nélkül is jól tömöríthetőek. Az üzemekben keletkező fahulladékok egyik anyagában történő felhasználása a talajjavítás. Különböző fafajok faanyagát és kérgét hasznosítják így, előnye még hogy nedvességtartalomtól függetlenül bármilyen faanyag hasznosítására alkalmas eljárás. A melléktermék megfelelő mechanikai feltárása után hasznosítható komposztált és nem komposztált formába. Az így keletkezett humuszt hasznosítani lehet a mezőgazdaságban. erdészetben, szőlőtermelésben, kertészetekben [25, 26]. Vegyi hasznosítás Mivel a fákat alkotó kémiai vegyületek száma és összetétele széles skálán mozog, a mai napig sem rendelkezünk teljes ismeretekkel ezekről a paraméterekről. Ugyanakkor a vegyi hasznosítás alkalmazásakor legfontosabb alkotó vegyületek elemi összetétele ismert. Ebből a tényből ugyanakkor következik az is, hogy a fahulladék kémiai felhasználása nagyon sokrétű lehet. 27

34 A fűrésziparban keletkező melléktermékek Az alkotó vegyületek közül a legnagyobb szerepe a cellulóznak van mivel ennek van nagymértékben hatása a fának az ipari felhasználhatóságára. A lignin a második legnagyobb hangsúlyú alkotó mivel ez az összetevő biztosítja a sejtfalak merevségét, ami szinten hatással van a feldolgozhatóságra. A faanyagok feltárásával, lepárlásával előállíthatók különböző ipari alap-és segédanyagok, gyógyszerek és megfelelő előkezelés után takarmány is. A fűrészüzemekben feldolgozott faanyag, jelentős kéreghulladékot eredményez, amely hasznosítására érdekes lehetőséget kínál a vegyi felhasználás. A kéreg hasznosításakor természetesen figyelembe kell venni az egyes fajok kémiai és fizikai tulajdonságait egyaránt. Fizikai tulajdonság tekintetében, a kéreg általában egy heterogén eloszlású hulladék, kémiai viszonylatban vizsgálva fontos jellemző a hamutartalom illetve a extraktanyag és lignin tartalom. A fahulladékok jól hasznosíthatók hidrolizátum cukorkoncentrátummá vagy fehérjévé alakítással. Ezek a termékek takarmányozási célokat szolgálnak. Ezt a hasznosítási formát fa magas akár 80 %-os poliszaharid tartalma miatt, előnyösen lehet alkalmazni, ellenben a kéreg felhasználására az 50 %-os poliszaharid tartalmával. A kéreg legismertebb felhasználása a bőr cserzése. Erre a célra Európában a tölgyfa kérge a legalkalmasabb. Két eltérő esetet különböztethetünk meg, az egyik esetbe a kérget felaprítják és kb. 15 %-os víztartalommal a bőrökre szórják, ez az eljárás 1 hónapig tart. A másik esetben a kérget vízzel vagy gőzzel extrahálják, így állítva elő a cserzőanyagot [4, 25]. Energetikai hasznosítás Különösen fontos az energetikai célra alkalmas hengeresfák, illetve az újrahasznosításra nem használható fahulladékok faalapú energiahordozóként felhasználni. Ennek oka többek között abban rejlik, hogy a számos elterjedt energiahordozó (kőolaj, atomenergia, földgáz) nemcsak, hogy kimerülőben van de a környezetre is káros hatással vannak. Energetikai hasznosításra minden fűrészüzemben keletkező fahulladék alkalmas, azonban ezek gyűjtésének és tárolásának energiaigényét figyelembe kell venni. Az üzemekben keletkező melléktermékek jelentős része hasznosítható tüzelési célra a fűtőértéküknek 8-10%-át kitevő energiaráfordítással. Az elsődleges fafeldolgozás során létrejövő melléktermékek (fűrészpor, kéreg, nyesedék) átlagos nedvességtartalma viszonylag magas azonban a fűtőértéküknek 6-8%-át kitevő energiaráfordítással gazdaságosan hasznosíthatók. Sokkal költséghatékonyabb ezeknek a melléktermékeknek a tüzelési célú felhasználása, mint a mezőgazdasági termékeké, mivel így a betakarítási és szállítási költséggel nem kell számolni. A fahulladékokat nagymértékben a fűrész-és feldolgozó üzemek hő ellátására használhatjuk eltérő 28

35 A fűrésziparban keletkező melléktermékek mechanizmusú kazánok működtetésével. Mivel az energiahordozók ára folyamatosan növekvő tendenciát mutat, és hulladékok elhelyezése és környezetszennyezése miatt az üzemek jelentős hányada használ hasonló kazánokat a hulladékok energetikai felhasználására [25]. Hazánkban a faanyagok energetikai hasznosítására általában három módszer használatos: technológiai hőenergia termelés direkt tüzeléssel, energia előállítás (brikettálás, pellettálás), decentralizált energia termelése. A faanyagok gázokban nagyon gazdag tüzelőanyagok, ami biztosítja elégetésekor a magas hőmérsékletet, a magas fűtési hatásfokot. Akár a 80 %-os hatásfokot is elérhetjük, az égéslevegő megfelelő szabályozásával és optimális levegőt keverő és vezető rendszer kiépítésével [24]. A faanyagokat különösen nagy levegő felesleggel kell elégetni, aminek a mennyiségét a használt tüzelőberendezés és a faanyag hő technikai jellemzői befolyásolnak. A megfelelő tüzelő berendezés megválasztásához ismernünk kell a tüzelőanyag pontos paramétereit. Döntő szerepe van az anyag égés idejének, amit a nedvességtartalom, szemcseméret és hamutartalom határoz meg. A tüzelő berendezés tűzterének hőmérséklete függ a tüzelőanyag fűtőértékétől, a légfelesleg mennyiségtől és a fűtőfelület nagyságától. A nagy felületű kis tömegű melléktermékek (pl. forgács) hamar elérik a gyulladási hőmérsékletet és elégnek [22]. A finom por és forgácsszerű melléktermékek elégetésére általában síkrostélyos, be fúvásos technológiával működő tüzelőberendezéseket alkalmaznak. Nagy figyelmet kell fordítani arra, hogy a nagyobb szemcsedarabok egyenletesen borítsák a sík rostélyt, így megelőzve, hogy a kazánon el nem égett anyag. A légfelesleg mennyiségét minden esetben az anyag mennyiségéhez kell beállítani, amely forgács esetében kb. 7 m 3 /kg. A szekunder levegő beállításánál is figyelembe kell venni az elégetésre kerülő melléktermék mennyiségét. A darabos hulladék elégetésekor és más hasonlóan a rostélyon elégő fahulladék égetésekor, a primer levegőt a rostély alatti füstszint szabályozással lehet vezérelni. A fahulladékok elégetését sokszor olaj tüzeléssel kombinálják, úgy hogy az olaj köré fúvatják a forgácsot. Az olajégő szerepe a gyújtásnál jelenik meg illetve a csúcsterhelésnél a faanyag hiányának pótlására szolgál [27]. 29

36 A fűrésziparban keletkező melléktermékek A fűrészüzemekben, a kérgezés következtében keletkező kéreg energetikai felhasználása is szokványos eljárás. Éves átlagot nézzük akkor a 1 kg kéreg fűtőértéke kb. 10,2 MJ, a nyári időjárás következtében jelentkező csúcsérték 13,4 MJ körül, míg a legkedvezőtlenebb időszakokban esős, havas időjárás estén 5,4 MJ. A kéreg kiválóan ég mivel szénhidrogének építik fel. A kéreg hamutartalma 2-4% között mozog, ez a szerves szerkezetébe beágyazott szervetlen anyagoknak köszönhető, de ezek a komponensek magas olvadási és lágyulási hőmérséklettel rendelkeznek. A kéreg tüzelésének hátránya, hogy az sosem kerül tiszta állapotban a tüzelőberendezésekbe, általában 10-12%-ban földdel szennyezetek, ami magas hőmérséklet hatására salakká tömörül. A kéreg égésének tulajdonságait negatív irányban befolyásolja a mechanikailag kötött víz tartalma, amint azt az 4.7 ábrán láthatjuk. A kéreg nedvesség száraz kérgezésnél télen 50%, nyáron 40% vízi tárolás és permetezés esetén 70-80% is lehet. Ha az elégetésre kerülő kéregnek magas a nedvességtartalma, egy mechanikus sajtolóhengert kell beiktatni a rendszerbe, ami a kéreg nedvességtartalmát kb. 45%-ra csökkenti. Az égés során bekövetkező párolgás a tűztér hőmérsékletét csökkenti, ezért egy bizonyos nedvességtartalom felett segédgyújtást kell alkalmazni a kéreg égetésekor. A kéreg elégetése mellet újrahasznosítási formaként alkalmazható még a kéreg pirolízise, az a kéreg elgázosítása más fahulladékok kíséretében [11, 28, 29]. 30

37 A fűrésziparban keletkező melléktermékek 4.7. ábra. A fűtőérték függése a kéregnedvességtől [11] A fűrészüzemi fahulladékok egyik legelterjedtebb energetikai hasznosítási módszere a pellet illetve brikett gyártása. A pellet illetve brikett gyártása hasonlóan történik, méretük miatt különböztetjük meg a két terméket, hiszen a pellet kis méretével szemben a brikett inkább préselt téglához hasonló. A pellet gyártás alapanyaga a mezőgazdasági melléktermékek mellet sokszor a faanyag feldolgozása közben keletkező fűrészpor és forgács. Szükség esetén a mellékterméket aprítják, maximum 50 mm él hosszúságú darabokra, majd szárítják mivel a jó minőségű és gazdaságosan felhasználható pellet alapfeltétele a maximum 10-14%-os nedvességtartalom. A fűrészüzemi melléktermékek különösen megfelelnek pellet gyártás alapanyagának mivel minden esetben egy szárítási folyamaton esik át az alapanyag csökkentve annak nedvességtartalmát. A szárítás és a mágneses leválasztás után az alapanyagot 4-5 mm finomságú finom porrá őrölik, amit adalék anyagokkal vízzel vagy gőzzel kondicionálnak a megfelelő préselhetőség érdekében. A présgép matricáján nagy nyomáson átpréselik az anyagot, ami ezáltal felmelegedik és fa lignin kötőanyaga megolvad, így biztosítva a pellet alakját. A pellet mérete általában 5-22 mm között változik. A pellet 31

38 A fűrésziparban keletkező melléktermékek nedvességtartalma alacsonyabb a tűzifáénál, ezért magasabb hatásfokkal hasznosítható, és az egyik legkörnyezetkímélőbb tüzelőanyag mivel hulladék fából készül és felhasználása során csekély mennyiségű káros anyag és hamu keletkezik. A pellet tüzelés egyetlen hátránya, hogy csak speciális pellet kazánokba égethető el, de a legtöbb ilyen berendezés automatizálható ezzel megkönnyítve a felhasználását. Igaz az előállítási technológia jelentős energiaigényű, de ezt ellensúlyozza a pellet felhasználásából keletkező energiatöbblet. Egy tonna pellet előállításához kb. 500kWh energiára van szükség, ha 40 %-os nedvességtartalmú anyagot használunk alapanyagként, de az energetikai hasznosítása után egy tonna pellet felhasználásával 5000 kwh energia nyerhető. Ezekből az adatokból megállapítható, hogy a fűrészüzemi melléktermékek egyik leghatékonyabb felhasználása a pellet gyártása és tüzelése lehet, mivel az így nyert energia visszaforgatható a szárító, gőzölő berendezések hőenergia szükségletébe [22, 24, 26, 27, 30-31]. 32

39 A fűrészüzemi hulladékok energetikai tulajdonságainak meghat. 5. A fűrészüzemi hulladékok energetikai tulajdonságainak meghatározása Vizsgálataim során bükkfa és tölgyfa minták fűtőértékét határoztam meg, azzal a céllal, hogy a fűrészüzemi fafeldolgozás során e két fafajból keletkező melléktermékek energetikai hasznosításának és az így visszanyert energia-termelésbe való visszaforgatásának előnyeit és lehetőségeit bemutassam. A méréseimet laboratóriumi körülmények között végeztem, a megfelelő szabványok betartásával. A vizsgálati mintákon nedvességtartalom, elemi összetétel, égésmeleg és hamutartalom meghatározását végeztem el, hogy az adott minták fűtőértékét meghatározhassam. Végső célom az volt, hogy meghatározzam mennyi energia forgatható vissza a fűrészüzemi termelésbe a technológiai folyamatok során keletkező melléktermékek energetikai hasznosításával Mérések elve A vizsgálatok során az aktuális szabványok szerint jártam el, ezzel biztosítva az eredmények valósságát. Elsőként a minták nedvesség- és hamutartalmát határoztam meg, majd, analizáltam azok elemi összetételét és égésmelegét. Végül kiszámítottam a minták fűtőértékét annak érdekében, hogy meghatározzam a fűrészüzemi melléktermékek energetikai felhasználásának lehetőségeit Biomassza nedvességtartalmának meghatározása A biomasszák esetében durva nedvességtartalomról és higroszkópos nedvességtartalomról beszélhetünk. A durva nedvességtartalom a biomassza eredeti súlyára vonatkoztatott az a víztartalom, amely a mintából szobahőmérsékleten elpárolog. Ezzel a módszerrel szárított mintát, légszáraz mintának nevezzük. A higroszkópos nedvességtartalom a minta légszáraz súlyára vonatkoztatott az a víztartalom, amely a légszáraz biomasszának 105±2 C-os hőmérsékleten távozik el. A vizsgálat során ezt a nedvességtartalmat határoztam meg. A higroszkópos nedvességtartalom meghatározása szárító kemencében történik. A minta 1mmnél átmérőnél kisebb, átlagolt, légszáraz biomassza szemcséket tartalmaz, amiből 1-1,2 g-ot mérünk be, az előre megtisztított, megszámozott, 105 C-on szárított és exszikkátorban hűtött fedős üvegedénybe, analitikai mérleg segítségével, ahogy azt a 5.1 ábrán láthatjuk [32]. 33

40 A fűrészüzemi hulladékok energetikai tulajdonságainak meghat ábra. Nedvességtartalom meghatározásra előkészített minták A hibaforrások elkerülésének érdekében, a mintát mozgatással egyenletesen szétterítettem az üvegedényben, amit tiszta laboratóriumi fogóval kezeltem. A bemérés után az üvegedényeken ferdén elhelyezett tetővel az elektromos szárítókemencébe (5.2. ábra) helyeztem. A szárítást két órán keresztül végeztem, majd az üvegedényeket kiszedtem a szárítószekrényből és exszikkátorban szobahőmérsékletig hűtöttem. A lehűlés után az előzőleg használt analitikai mérleg segítségével lemértem a mintát az edénnyel együtt, majd megállapítottam a szárítási súlyveszteséget. Mivel a vizsgálatot súlyállandóságig végeztem, ezért a mintát fél órára vissza helyeztem a szárítószekrénybe majd ismét megmértem annak súlyát. A meghatározott nedvességtartalmat a bemért eredeti biomassza súlyszázalékában fejeztem ki [32;33] ábra. Elektromos szárítókemence 34

41 A fűrészüzemi hulladékok energetikai tulajdonságainak meghat A biomassza hamutartalmának meghatározása A biomasszák hamutartalma, az a nem éghető ásványi alkotórész, amely 850±25 C hőmérsékleten végzett tökéletes elégés után visszamarad. Lényegében a különféle ásványi anyagok összetett keveréke, amelyek az égés során nagyrészt átalakulnak, például oxidálódnak, elbomlanak. A vizsgálati minta 1 mm-nél kisebb szemcsenagyságú előkészített analitikai biomasszából kb. 1 grammnyi mennyiséget mértem be az erre speciálisan előkészített, előre megszámozott, kiizzított, exszikátorban lehűtött és analitikai mérlegen meghatározott súlyú porcelán hamvasztó tálcákba (5.3. ábra), ezred gramm pontossággal, egyenletesen szétterítve [32] ábra. Porcelán hamvasztó tálca Az így előkészített mintákat, hideg elektromosan fűthető kemencébe helyeztem melyet folyamatosan 850±25 C hőmérsékletre fűtöttem. A felfűtés során különösen ügyelni kell a lassú felfűtésre, mivel a sok illót tartalmazó minták esetében a keletkező gázok a finom biomassza szemcséket is magukkal vihetik ezzel jelentős veszteségeket és hibás eredményt okozva. Az izzítási folyamat során ügyelni kell a kemence szellőző csatornáinak nyitva tartására, hogy a levegő akadálytalanul áramolhasson a kemencében, ezzel biztosítva a biomassza minták tökéletes égését. Az izzítást súlyállandóságig és/vagy két órán keresztül végeztem. Az égés végeztével először szabadlevegőn majd exszikátorban szobahőmérsékletre hűtöttem a mintákat majd ezek után végeztem el a méréseket analitikai mérleg használatával [32;34]. 35

42 A fűrészüzemi hulladékok energetikai tulajdonságainak meghat A biomassza elemi összetételének meghatározása A tüzelőanyagok elemi összetételének meghatározásakor, igazából a biomasszát felépítő szerves vegyületek elemi összetevőinek mennyiségi analízisét végezzük. Ezek az elemi összetevők a karbon, hidrogén, kén, nitrogén és oxigén. Az elemi összetétel meghatározása meglehetősen fontos mivel a kapott eredmények felhasználásával számíthatók a tüzelőanyagok meghatározó tulajdonságai, mint pl. fűtőérték, égéselméleti számítások, stb. A biomasszák elemi összetételének vizsgálatára sok bevett módszer alakul ki a technológia fejlődésével, de a legtöbb eljárás és az általam alkalmazott alapelve is, hogy a vizsgálandó tüzelőanyagot tökéletes elégetjük és a folyamat közben létrejövő füstgázból következtetünk az elemi összetételre. A mintákat magas hőmérsékleten, oxidáló környezetben gyors és tökéletes égetéssel az összes szerves és szervetlen komponenst égéstermékké alakítunk. Az így keletkező gáz halmazállapotú égéstermékek vivőgáz hozzájárulásával redukáló és oxidáló zónákon való átáramoltatás után kromatográfiás oszlopra érkeznek, komponenseikre válnak. Az elkülönített gazkomponensek észlelése hővezetőképesség-detekrorral történik. Az elemanalizátor elvi felépítési sémáját az 5.5. ábra mutatja [32;35]. 5.5.ábra. elemanalizátor elvi felépítése [32] Égésmeleg meghatározása és fűtőérték számítása A szabványok követése mellet a minták égésmelegét kalibrált Parr 6200 típusú oxigénbomba kaloriméterrel határoztam meg. Az oxigén bomba kaloriméter az égésmeleg kiszámításához 36

43 A fűrészüzemi hulladékok energetikai tulajdonságainak meghat. használt alapelve az, hogy a minta és egy ismert tömegű és égésmelegű kalibrálóanyag,- jelen esetben benzoesav- elégetése során felszabaduló hőmennyiségek összehasonlítása. Az elégetés nagynyomású oxigén atmoszférában fém nyomástartó edényben vagy bombában megy végbe. Az égetés során keletkező hőenergia a kaloriméteren belül elnyelődik, és a vizsgálati műszer az abszorbeálló közeg hőmérsékletváltozását tárolja. Az égetéskor felszabaduló hőmennyiséget a készülék számolja ki, a kalibráció során előzetesen meghatározott kaloriméter állandó vagy hőkapacitás illetve a hőmérsékletnövekedés szorzatából. A kapott eredményeket minden esetben korrigálni kell a készülékben végbemenő, a minta égetése során keletkező mellékfolyamatok figyelembevételével [32;36]. A kaloriméter felépítése A Parr 6200 típusú oxigénbomba kaloriméter-amely keresztmetszeti rajzát a 5.6. ábra mutatjafelépítése: Bomba, ahol az éghető anyag elégetése megy végbe. Kaloriméter edény, ami a bomba, az azt körülvevő víz és a keverő berendezés befogadására szolgál. Szigetelt edény, ami a kaloriméter edényt óvja a környezettel való hőcserétől a vizsgálat során. Szenzor, ami a kaloriméter edényben végbemenő hőmérsékletváltozás mérésére szolgál [32]. 5.6.ábra. A bomba kaloriméter elvi felépítése [32] 37

44 A fűrészüzemi hulladékok energetikai tulajdonságainak meghat. A bomba egy szilárd, széles falú edény, amely könnyebb nyitható, így téve lehetővé az egyszerű mintabehelyezést, égéstermékek eltávolítását illetve a mérés utáni megfelelő tisztítást, amint azt a 5.7. ábrán láthatjuk.. A készülékben található szelepek feladata, hogy biztosítsák a nagynyomású oxigénnel való feltöltést, illetve a mérés során keletkező gázok biztonságos eltávolítását. Elektródák biztosítják a megfelelő működéshez elengedhetetlen gyújtóáramot. 5.7.ábra. A kaloriméter bombájának metszete [32] A kaloriméterben a vizsgálat során a bomba és a keverő teljesen elmerül, így a keverő úgy homogenizálja a víz hőmérsékletét, hogy nem add hozzá a rendszerhez különösebb mértékben hőenergiát, mechanikus energia formájába. A vizsgálat során fontos a lehető legkisebb mértékre csökkenteni a sugárzásos hőcserét a környezettel, ennek érdekében a kaloriméter edények általában polírozott fallal készülnek. A kaloriméter köpeny, mint egy védőburok minimalizálja az edény és környezete közötti hőcserét. A vizsgálat során nem zárható ki az összes hőátadás, de a köpeny első számú feladata, hogy mérsékelje a huzat, a hősugárzás, illetve a laboratórium hőmérsékletváltozásainak hatásait [32]. Kaloriméter kalibráció A kaloriméteres vizsgálat előtt szükséges a kaloriméter vízértékének vagy hőkapacitásának meghatározása, csakis ezek után vizsgálhatók pontosan az ismeretlen égésmelegű anyagok. Ez az érték szemlélteti a mérőrendszer teljes hőkapacitását, a bombával, edénnyel, és az 38

45 A fűrészüzemi hulladékok energetikai tulajdonságainak meghat. abban levő vízzel együtt. Azért szükséges egy ismert égésmelegű minta reprodukállható körülmények közötti elégetése mivel így egyszerűbben meghatározható a rendszer vízértéke. Ez az ismert égésmelegű minta a vizsgálat során benzoesav volt, mivel oxigénben tökéletesen elég, nincsennek higroszkópos tulajdonságai és nagy tisztaságban könnyen elérhető. A kalibráló pasztilla égésekor keletkező hőmennyisége, az égésmelegének és tömegének szorzataként fejezhető ki. Az így kapott értéket elosztva a mérés alatt végbemenő hőmérsékletemelkedéssel megkapjuk a kaloriméter vízértékét [32]. Kaloriméter korrekciók A gyújtózsinór elégése során többlet hő keletkezik a bombában, mivel minden egyes mérésnél eltérő a gyújtózsinór mennyisége, ezért a zsinór által bevitt többlett energiát minden mérés után meg kell határozni. Ha a tökéletes égés biztosításának érdekében bármilyen égést elősegítő anyagot használunk, annak égésmelegét is le kell vonni a teljes égésmeleg értékéből. A mintánkat közel tiszta oxigénben nagy hőmérsékleten és nagy nyomás mellet égetjük el, így olyan folyamatok játszódhatnak le, amelyek normál körülmények között ugyan ezen anyagok esetében nem mennének végbe. Az így előforduló mellékreakciók hatását korrekcióval kell kezelni mivel jelentős hőt termelhetnek. Normál körülmények között az égetés során tüzelőanyag kéntartalma kén-dioxiddá oxidálódik és a füstgázzal együtt távozik. Ugyanaz az anyag bombában történő elégetés során az oxidáció hatására kén-trioxidot eredményez, ami a bombában lévő nedvesség hatására kénsavvá alakul. Megtalálhatók korrekciós elemek az ASTM és ISO szabványokban, amelyek ezt a savképződés során felszabaduló hőt igyekeznek számításba venni. Az általam használt kalorimétert a 5.8. ábra mutatja [32]. 5.8.ábra. Kaloriméter 39

46 A fűrészüzemi hulladékok energetikai tulajdonságainak meghat. Az égésmeleg meghatározása A kaloriméter vízértékének pontos meghatározása után, az ismert tömegű mintánkat elégetjük és a keletkező hőmérsékletkülönbséget mérjük és rögzítjük. A felszabaduló hőmennyiséget a megfigyelt hőmérsékletemelkedés és a vízérték szorzata adja. ahol: V [J/ 0 C] a kaloriméter vízértéke, T0 [ 0 C] a főkísérlet elő hőmérséklete, Tm [ 0 C] a főkísérlet utolsó hőmérséklete, c [ 0 C] a kaloriméter és környezete közötti hőközlés korrekciós tényező, b [J] a kísérletnél fellépő, idegen anyagokból származó égéshők összege, G [g] a bemért minta tömege[32]. A fűtőérték számítása ahol:, (kj/kg) Ha [kj/kg] a fentiek szerint meghatározott égésmeleg, H [% (m/m)] a minta hidrogéntartalma, (meghatározása az MSZ 24000/11) szerint Wt [% (m/m)] a minta nedvességtartalma [32;36] 40

47 A vizsgálatok eredményei 6. A vizsgálatok eredményei A faanyag mintákon elvégzett vizsgálataim, azt a célt szolgálták, hogy kellő pontossággal megtudjam határozni, hogy egy átlagos fűrészüzem mennyi energiát lenne képes visszaforgatni a termelésbe a keletkező melléktermékek energetikai felhasználásával. A faminták nedvességtartalmának meghatározása (6.1. táblázat) különösen fontos ilyen esetekben, mivel nagymértékben befolyásolja a fűtőértéket és így a visszanyerhető energia mértékét is táblázat. Vizsgált minták nedvességtartalma Fafaj Tölgy Bükk Üvegedény sorszáma (g) Üvegedény tömege (g) 55,65 54,45 54,36 53,03 54,23 54,96 Üvegedény + minta tömeg (g) 61,61 59,53 59,62 57,65 60,29 59,46 Üvegedény + száraz minta tömege (g) 60,92 58,96 59,02 57,20 59,70 59,03 Minta tömege (g) 5,96 5,08 5,26 4,62 6,07 4,51 Kiszárított minta tömege (g) 5,27 4,51 4,67 4,17 5,48 4,07 Nedv. Tart. (m/m %) 11,52 11,23 11,29 9,69 9,76 9,73 Átl. Nedv.tart. (m/m %) 11,35 9,73 A 6.1. táblázatban kiszámított értékek alapján a vizsgált faanyagok energetikai hasznosításra alkalmasak, rendkívül kis nedvességtartalommal rendelkeznek. Gyakorlati szempontból kijelenthető, hogy a valós üzemi működés közben keletkező melléktermékek ennél nagyobb nedvességtartalommal is rendelkezhetnek. A biomasszák égetéssel való energetikai hasznosítása után, melléktermékként nem éghető ásványi alkotórészek maradnak vissza, amelyek tárolását és elszállítását biztosítani kell, ezért fontos meghatározni a keletkező mennyiséget. A vizsgált faanyagok hamutartalmát a 6.2.táblázat mutatja be táblázat. Vizsgált minták hamutartalma Fafaj Tölgy Bükk Porcelán tálca száma Porcelán tálca súlya (g) 26,23 25,32 24,21 27,09 27,30 26,16 porcelán tálca+minta súlya (g) 27,71 26,81 25,81 28,58 28,75 27,67 Porcelán tálca+hamu súlya (g) 26,24 25,33 24,22 27,10 27,30 26,17 Hamutartalom (m/m %) 0,82 0,99 0,70 0,47 0,35 0,42 Átlagos Hamutart. (m/m %) 0,84 0,41 41

48 A vizsgálatok eredményei A 6.2. táblázat eredményei alapján kijelenthető, hogy a vizsgált faanyagok a fasszárú növényekre jellemző, 1% alatti hamutartalommal rendelkeznek, ez kiemelkedően pozitív tényező energetikai hasznosítás során. A tüzelőanyagok elemi összetételének meghatározásával a famintákat felépítő szerves vegyületek elemi összetevőinek mennyiségi analízisét végeztem el. Az elemi összetétel meghatározása meglehetősen fontos mivel a kapott eredmények felhasználásával számíthatók a tüzelőanyagok meghatározó tulajdonságai, mint a fűtőérték. A vizsgált faminták elemi összetételét a 6.3. táblázatban láthatjuk táblázat. Vizsgált minták elemi összetétele N, (m/m %) C, (m/m %) H, (m/m %) S, (m/m %) < 0,01 45,04 5,24 0,17 < 0,01 45,22 5,76 < 0,01 Bükk < 0,01 44,88 5,69 < 0,01 45,2 5,56 Bükk átlag < 0,01 44,60 5,73 < 0,01 < 0,01 44,52 5,48 < 0,01 Tölgy < 0,01 44,73 5,83 < 0,01 44,61 5,68 Tölgy átlag A vizsgált faanyagok elemi összetételének meghatározásakor a nitrogén és kén tartalom kimutatási határérték alatti mennyiségben volt jelen, ez a mennyiség elhanyagolhatónak tekinthető. Környezetvédelmi szempontból ez rendkívül előnyös, hiszen a tüzelőanyagokból kis mennyiségű gáznemű kén és nitrogén légszennyező vegyületek képződnek égetés során, ugyanakkor a minták nitrogén tartalma szokatlanul kicsi, ennek ellenőrzése mindenképpen szükséges. A faanyagok hidrogén és karbon tartalma is megfelel a szakirodalmi adatoknak, ezek alapján a vizsgált minták energetikai hasznosítása szempontjából az elemi összetétele kedvezőnek tekinthető. A kaloriméterrel végzet vizsgálataim eredményeit a 6.4. táblázat és 6.1. ábra foglalja össze. A vizsgálat adatait szemügyre véve az megállapítható, hogy a faminták égésmelegének szórása nem túl nagy, és meglehetősen jó átlagot produkált. 42

49 A vizsgálatok eredményei 6.4. táblázat. Bükk minták égésmelege Bükk Égésmeleg (MJ/kg) Bemért minta súlya (g) 1. 17,5 0, ,2 0, ,4 0, ,3 0,51 Átlag 17, ábra Bükk minták égésmelege A tölgyfa minták a bükkfához megközelítőleg azonos mértékű égésmeleggel rendelkeznek, amint az a 6.5. táblázatban és 6.2. ábrán látható táblázat Tölgy minták égésmelege Tölgy Égésmeleg (MJ/Kg) Bemért minta súlya (g) 1. 16,9 0, ,1 0, ,9 0, ,9 0,49 Átlag 16,9 43

50 A vizsgálatok eredményei 6.2. ábra Tölgy minták égésmelege A minták egyik legfontosabb vizsgálata a fűtőértékek kiszámítása, mivel ez az adat határozza meg, hogy mennyi energia forgatható vissza az üzem energiaigényének ellátásába, a keletkező melléktermékek elégetésével. A vizsgálatok kimutatták, hogy a bükkfa különösen jó fűtőértékkel rendelkezik (6.6. táblázat; 6.3 ábra), amelynek szórása elenyésző. A vizsgálat alapján számíthatunk arra, hogy az azonos vidékről származó, nem nagy időbeli eltéréssel kitermelt, közel azonos nedvességtartalmú bükkfa feldolgozása során keletkező melléktermékek, energetikai hasznosításra és az üzemek gazdaságosságának növelésére alkalmasak táblázat Bükk minták fűtőértéke Bükk Átlag Fűtőérték (MJ/kg) 16,1 16,8 15,9 15,9 16,2 44

51 A vizsgálatok eredményei 6.3. ábra Bükk minták fűtőértéke A tölgyfa minták vizsgálata során kiderült, hogy kb. 1 MJ/Kg-mal kisebb értékű fűtőértékre számíthatunk, mint a bükkfa esetében. A 6.7. táblázat és 6.4. ábrán szereplő adatokból azonban levonható az a következtetés, hogy a tölgyfa feldolgozása során keletkező melléktermékek energetikai hasznosítás útján történő felhasználása, és az ezzel visszanyert energia visszaforgatása a feldolgozásba jelentősen javíthatja az üzemek gazdaságosságát táblázat Tölgy minták fűtőértéke Tölgy Átlag Fűtőérték (MJ/kg) 15,4 15,6 15,4 15,4 15, ábra Tölgy minták fűtőértéke 45