Nowoczesne techniki pozyskiwania, wzbogacania i przetwarzania surowców powodują wytwarzanie znacznych ilości materiałów drobnoziarnistych (miał, pyły, wióry, itp.). Dla racjonalnego wykorzystania tych materiałów w gospodar-ce niezbędne jest ich wcześniejsze scalenie i otrzymanie odpowiedniej struktury [1, 2]. Ciśnieniowa aglomeracja materiałów pochodzenia roślinnego jest procesem, w którym rozdrobniony materiał, pod wpływem sił zewnętrznych i wewnętrznych, ulega zagęszczeniu i scaleniu, a otrzymany produkt (aglomerat) uzyskuje określo-ną, stałą formę geometryczną [1].
Materiały drobnoziarniste składają się z dużej ilości cząstek, mniej lub bardziej zróżnicowanych pod względem kształtu i luźno ze sobą związanych. Wymiary tych cząstek wahają się w granicach od mikrometra do kilku milimetrów [2].
Cząstki sferyczne o dowolnym wymiarze można upakować z gęstością 74%. Jeżeli natomiast materiał składa się z cząstek sferycznych o dwóch wymiarach, w którym cząstki mniejsze zajmują wolne przestrzenie między większymi w ściśle określonym stosunku ilościowym, to teoretyczna gęstość upakowania takich czą-stek wynosi 86%. Dobranie według wymienionej zasady składu czączą-stek o trzech wymiarach pozwala upakować je z gęstością 90–92%, a składu czterech frakcji z gęstością 95–97%. W praktyce takie gęstości upakowania jest trudno osiągnąć, gdyż trudności sprawia zachowanie ściśle określonego wzajemnego stosunku ilo-ściowego poszczególnych frakcji cząstek w każdym elemencie objętości [2].
Prasowanie materiałów drobnoziarnistych to przemieszczanie wzajemne czą-stek, a następnie ich upakowanie pod wpływem obciążenia zewnętrznego o war-tości bliskiej lub nawet większej od obciążenia na granicy plastyczności danego materiału [2].
Przez zagęszczanie rozumie się zwiększenie gęstości ułożenia cząstek mate-riału bez ich wyraźnego odkształcenia. W tym przypadku charakter zależności po-między gęstością ułożenia cząstek a trwałością więzów po-między nimi wpływa nie
89 CHARAKTERYST YKA I SCALANIE MATERIAŁÓW DROBNOZIARNIST YCH
tylko wartość obciążenia zewnętrznego, ale także czynniki mechaniczne (więzy mechaniczne i zaklinowanie nierówności powierzchni cząstek), fizyczne (siły ko-hezji, siły tarcia, magnetyczne) i fizykochemiczne. Czynniki te, określając jako funk-cję celu ich maksymalne wykorzystanie przy tworzeniu mechanizmów wiązania cząstek materiałów drobnoziarnistych, można wg Pietscha [3] podzielić na dwie zasadnicze grupy:
mechanizmy wiązania poprzez „mostki materialne”, a)
mechanizmy wiązania bez „mostków materialnych”. b)
Mechanizmy te w sposób poglądowy przedstawiono na rysunku 1. Mechani-zmy grupy pierwszej wykorzystuje się najczęściej w procesach zagęszczania ma-teriałów drobnoziarnistych z udziałem środków wiążących (lepiszcza), natomiast mechanizmy grupy drugiej wykorzystywane są w procesach zagęszczania i praso-wania materiałów drobnoziarnistych bez udziału lepiszcza.
Rys. 1. Mechanizmy wiązania cząstek materiałów drobnoziarnistych wg Pietscha [3]
Aby pojedyncze ziarna utworzyły trwały aglomerat konieczne jest wystąpienie odpowiednio dużych sił łączących te ziarna. Według Rumpf’a [4 ,5] mechanizmy wiązań między ziarnami można podzielić na 5 kategorii:
mostki stałe, które mogą się tworzyć w podwyższonych temperaturach 1.
w miejscu kontaktu ziaren, w wyniku dyfuzji molekuł z jednego ziarna do drugiego. Ciepło może być doprowadzone z zewnątrz lub też wydzielać się w trakcie procesu (np. przez tarcie). Mostki stałe mogą także powstać
90 AGLOMERYZACJA BIOMASY – BRYKIET Y, PELET Y
w wyniku twardnienia substancji wiążącej, krzepnięcia stopionych sub-stratów reakcji chemicznej lub krystalizacji rozpuszczonych substancji, siły adhezji występujące w substancjach wiążących, które nie pozwalają na 2.
swobodne przemieszczanie się ziaren. Substancje o wysokiej lepkości (kle-je) mogą tworzyć wiązania podobne do tych jakie pojawiają się w most-kach stałych. W przypadku takiej fazy ciekłej mogą powstać cienkie, nieru-chome warstwy adsorpcyjne,
formy zamknięte wiązań mechanicznych. Mogą one występować w mate-3.
riałach o budowie włóknistej, płytkowej a także w przypadku ziaren, które ulegając deformacji, powodują wzajemne blokowanie się,
siły ciśnienia kapilarnego w układach ziaren luźno przemieszczalnych. Siły 4.
te w mostkach cieczowych oraz przestrzeniach kapilarnych mogą tworzyć silne wiązania, które jednak zanikają, jeżeli ciecz wyparuje, a brak jest in-nych mechanizmów przejmujących wiązania,
siły przyciągania oddziaływujące między ziarnami w rodzaju sił Van der 5.
Waalsa, elektrostatycznych bądź magnetycznych, które mogą powodować łączenia się ziaren wówczas, gdy nastąpi ich dostateczne zbliżenie. Siły te wyraźnie zwiększają się przy zmniejszaniu wymiarów ziaren.
Granulacja ciśnieniowa polega na zagęszczaniu poprzez ściśnięcie określonej porcji materiału ziarnistego w wyniku czego następuje wyparcie powietrza z prze-strzeni międzyziarnowej, zbliżenie do siebie poszczególnych ziaren i wytworze-nie w rezultacie sił łączących te ziarna. W celu zwiększenia sił spójności między ziarnami i w konsekwencji wytrzymałości aglomeratu, często dodaje się płynnego środka wiążącego. Otrzymany w wyniku granulacji ciśnieniowej produkt charak-teryzuje się ściśle określonym kształtem i wymiarami wynikającymi z geometrii komory roboczej urządzenia. Jeśli wymiary aglomeratów są znaczne (zwykle wy-noszą kilka lub kilkanaście centymetrów) to nazywamy je brykietami. Sam proces określa się wtedy brykietowaniem, a maszyny noszą nazwy brykieciarek lub pras do brykietowania [6].
Gęstość końcowa brykietów wynosi ponad 90% maksymalnej gęstości teore-tycznej cząstek wsadu do brykietowania [2].
Proces brykietowania materiałów drobnoziarnistych może być realizowany w następujący sposób (rys. 2) [2, 7]:
stempel o stałym tłoku przesuwając się wywiera nacisk na materiał za-a)
sypany do prasy i go zagęszcza. Nacisk stempla jest zależny od rodzaju i ilości zagęszczonego materiału zasypanego do matrycy. W metodzie tej szczególnie istotne jest dozowanie materiału do matrycy prasy – ilość dozowanego materiału powinna być stała w każdym cyklu zagęszczania. W przeciwnym przypadku gęstość uzyskanych brykietów będzie zróżnico-wana, a przy zasypie materiału poniżej dolnego położenia stempla, proces zagęszczania w ogóle nie nastąpi,
skok stempla i objętość przestrzeni roboczej są zmienne. Ruch stempla b)
91 PRASY DO PELET YZACJI I BRYKIETOWANIA
roboczej odpowiedni nacisk. Metoda ta jest niezależna od stopnia napeł-nienia przestrzeni roboczej materiałem i pozwala na uzyskanie brykietów o jednakowej gęstości, lecz zróżnicowanej objętości,
skok stempla jest stały. Nacisk stempla (lub innego elementu robocze-c)
go) jest także stały, ponieważ przy przekroczeniu określonego nacisku zagęszczania stempel dolny ulega przemieszczeniu. Również ten sposób zagęszczania materiałów jest niezależny od stopnia napełnienia przestrze-ni roboczej materiałem i pozwala na uzyskaprzestrze-nie brykietów o jednakowej gęstości, lecz zróżnicowanej objętości.
Rys. 2. Podstawowe sposoby brykietowania: 1 – stempel górny, 2 – materiał, 3 – matryca, 4 – stempel dolny, 5 – sprężyna, S – skok, V – objętość, P – nacisk [2, 7]
Wszystkie metody brykietowania materiałów drobnoziarnistych zostały zreali-zowane w prasach mechanicznych ze stołem obrotowym, sposób b) został ponad-to zrealizowany w prasach walcowych i pierścieniowych, naponad-tomiast sposób c) wy-korzystywany jest we wszelkiego rodzaju prasach wytłaczających (wytłaczarkach z otwartym kanałem formującym [2, 7].