1

ALEKSANDRO STULGINSKIO UNIVERSITETAS

Žemės ūkio inžinerijos fakultetas

Egidijus Zvicevičius, Algirdas Raila,

Henrikas Novošinskas

AUGALINĖS BIOMASĖS SANDĖLIAVIMO

SISTEMŲ INŽINERIJA

Mokomoji knyga

AKADEMIJA, 2013

2

UDK 631.56+631.36(075.8)

Egidijus Zvicevičius, Algirdas Raila, Henrikas Novošinskas

Augalinės biomasės sandėliavimo sistemų inžinerija

Mokomoji knyga

Recenzavo: doc. dr. Rolandas Bleizgys, Energetikos ir biotechnolo-

gijų inžinerijos institutas

doc. dr. Gediminas Pupinis, Jėgos ir transporto mašinų

inžinerijos institutas

Aprobuota:

Žemės ūkio inžinerijos fakulteto Energetikos ir biotechnologijų inžine-

rijos instituto 2013 m. vasario 1 d., protokolas Nr. 1.

Žemės ūkio inžinerijos fakulteto Metodinės komisijos 2013 m. sausio 23

d., protokolas Nr. 105.

Universiteto metodinės komisijos 2013 m. kovo 13 d. protokolas Nr. 59

Kalbą redagavo Laima Jonikienė

Maketavo Aldona Bagdonienė

Viršelio dailininkė Danguolė Raudonienė

© E. Zvicevičius, A. Raila, H. Novošinskas, 2013

© Aleksandro Stulginskio universitetas, 2013

ISBN 978-609-449-054-5

3

TURINYS

ĮVADAS................................................................................................ 5

1. AUGALINĖS BIOMASĖS IŠTEKLIAI ............................................ 7

2. AUGALINĖS BIOMASĖS SAVYBĖS IR LAIKYMO

PROBLEMOS..................................................................................... 14

2.1. Medžiagos drėgnis ................................................................... 14

2.2. Biometrinės savybės .................................................................... 17

2.3. Aerodinaminis pasipriešinimas ................................................. 19

2.4. Higroskopinės savybės ................................................................ 22

2.5. Biologinės savybės ...................................................................... 24

2.6. Biomasės laikymo problemos ..................................................... 27

3. AUGALINĖS BIOMASĖS LAIKYMO TECHNOLOGIJOS IR

SANDĖLIAI ....................................................................................... 35

3.1.Trumpalaikio laikymo sandėliai ................................................... 35

3.2. Ilgalaikio laikymo sandėliai ......................................................... 36

3.2.1. Laikini sandėliai – kaupai .................................................... 37

3.2.2. Stacionarūs sandėliai ............................................................ 39

4. AUGALINĖS BIOMASĖS LAIKYMO IR PARUOŠIMO

LAIKYMUI TECHNOLOGINIAI PROCESAI ................................... 42

4.1. Džiovinimas ................................................................................ 42

4.1.1. Džiovinimo metodai ir būdai ............................................... 42

4.1.2. Konvekcinis džiovinimo būdas ............................................ 45

4.1.3. Džiovinimo proceso dinamika ............................................. 48

4.1.4. Ventiliacijos sistema ir jos darbas ........................................ 53

4.2. Augalinės biomasės smulkinimas ............................................... 59

4.2.1. Smulkintuvai ....................................................................... 59

4.2.2. Smulkinimo rodikliai ........................................................... 62

4

4.3. Augalinės biomasės sutankinimas ............................................... 64

4.3.1. Briketuotuvai ....................................................................... 64

4.3.2. Granuliatoriai....................................................................... 66

4.3.3. Sutankinimo proceso įvertinimas ......................................... 67

LITERATŪRA ..................................................................................... 69

5

ĮVADAS Augalinė biomasė yra svarbiausias atsinaujinantis išteklis bioe-

nergijos ir biomedžiagų gamybai. Vykdydami fotosintezę, augalai absor-

buoja saulės energiją ir kaupia ją organiniuose junginiuose. Vidutinio

klimato šalyse, kurioms priklauso ir Lietuva, biomasei tenka apie 74

visų atsinaujinančių išteklių. Šiuo metu iš augalinės biomasės Europos

Sąjungoje pagaminama apie pusę atsinaujinančios energijos išteklių.

Augalinės biomasės ištekliai yra labai įvairūs ir plačiai paplitę.

Juos papildo specialiai auginami augalai – greitai augantys medžiai ir

krūmai, įvairios daugiametės žolės bei stambiastiebiai netradiciniai žoli-

niai augalai, žemės ūkio gamybos ir kitos atliekos. Atskiros biomasės

rūšys gali būti naudojamos šilumos, elektros, degalų, dujinio kuro ga-

myboje, transporto, chemijos, statybų pramonėje ir t. t.

Lietuvoje yra didelės perspektyvos auginti augalinę biomasę, nes

klimato sąlygos palankios tiek sumedėjusiems, tiek nesumedėjusiems

augalams auginti. Be to, kasmet šalyje lieka nepanaudota apie 300...500

tūkst. ha ariamosios žemės, kurią galima būtų skirti biomasės gamybai.

Tam taip pat tinka mažiau derlingos, rekultivuojamos, esančios prie ke-

lių ir kitų užteršto oro objektų, žemės.

Tobulėjant technologijoms, vis daugiau užauginama aukštos ko-

kybės biomasės, tačiau svarbu ne tik užauginti, bet taip pat išsaugoti ir

nenutrūkstamai ištisus metus aprūpinti konversijos-perdirbimo įmones

žaliava. Todėl augalinės biomasės gamybos-konversijos grandinėje būti-

nas jos sandėliavimo etapas. Sezoniškumas ir biologinė kilmė yra pa-

grindiniai augalinės biomasės bruožai. Joje natūraliai vyksta įvairūs bio-

cheminiai ir mikrobiologiniai procesai, kurių nevaldant patiriami masės

ir kokybės nuostoliai. Be to, lyginant su tradiciniais gamtos ištekliais,

dauguma biomasės rūšių yra nepatogios transportuoti, pasklidusios dide-

liuose plotuose ir netechnologiškos – sudėtinga automatizuoti technolo-

ginius procesus. Tai dar viena užduotis biomasės laikymo etapui: pa-

ruošti žaliavą tolesniam naudojimui arba perdirbimui.

6

Mokomoji knyga „Augalinės biomasės sandėliavimo sistemų in-

žinerija“ skirta Aleksandro Stulginskio universiteto Žemės ūkio inžine-

rijos fakulteto Atsinaujinančių energijos išteklių inžinerijos studijų pro-

gramos studentams, studijuojantiems dalyką „Biomasės konservavimas ir

sandėliavimo sistemų inžinerija“, ir kitiems besidomintiems augalinės

biomasės naudojimo perspektyvomis.

Mokomąją knygą sudaro keturi skyriai. Pirmajame skyriuje „Au-

galinės biomasės ištekliai“ skaitytojai supažindinami su augalinės bioma-

sės ištekliais. Pateikiama jų klasifikacija ir gamybos bei konversijos po-

tencialas.

Antrajame skyriuje „Augalinės biomasės savybės ir laikymo pro-

blemos“ rašoma apie biomasės biometrines, aerodinamines, higroskopi-

nes ir biologines savybes, jas lemiančius veiksnius. Taip pat analizuoja-

mos augalinės biomasės išsaugojimo problemos, sandėliuojamos žaliavos

sampile vykstantys procesai, jų kontrolės galimybės ir priemonės.

Trečiasis skyrius „Augalinės biomasės laikymo technologijos ir

sandėliai“ skirtas augalinės biomasės trumpalaikio ir ilgalaikio sandėlia-

vimo sandėlių apžvalgai. Aprašyta jų paskirtis, konstrukcija, privalumai

ir trūkumai.

Ketvirtajame skyriuje „Augalinės biomasės laikymo ir paruošimo

laikymui technologiniai procesai“ analizuojami trys pagrindiniai augali-

nės biomasės paruošimo laikymui-perdirbimui technologiniai procesai –

džiovinimas, smulkinimas ir sutankinimas.

Autoriai nuoširdžiai dėkoja recenzentams doc. dr. Rolandui

Bleizgiui ir doc. dr. Gediminui Pupiniui bei redaktorei Laimai Jonikie-

nei už patarimus ir pastabas bei p. Danguolei Raudonienei ir p. Aldona

Bagdonienei už techninę pagalbą.

7

1. AUGALINĖS BIOMASĖS IŠTEKLIAI

Biomasė yra svarbiausias atsinaujinantis išteklis. Jos įvairovė la-

bai didelė. Atskiros biomasės rūšys naudojamos šilumos, elektros, dega-

lų ir dujinio kuro bei biopolimerų ir kompozicinių medžiagų gamybai.

Pagal kilmę biomasės ištekliai skirstomi į tris tipus:

▬ miško ir medienos biomasę;

▬ energetinių nesumedėjusių augalų biomasę;

▬ gamybos šalutinius produktus ir komunalines organines at-

liekas.

Miško ir medienos biomasė arba sumedėjusių augalų biomasė. Tai

sumedėję daugiamečiai augalai. Jų nereikia kiekvienais metais iš naujo

sodinti. Yra pakankamai produktyvūs. Vienas hektaras našaus miško

kasmet produkuoja nuo 7 iki 12 t sausosios biomasės. Ją sąlyginai pato-

gu surinkti, transportuoti ir laikyti (sandėliuoti). Be to, sumedėjusių

augalų biomasei, lyginant su kitų tipų biomase, būdinga didelė energe-

tinė vertė ir geras energijos balansas, t. y. santykis tarp iš kuro gautos

energijos ir energijos, sunaudotos auginimui, derliaus nuėmimui bei

transportavimui. Miško ir medienos biomasė skirstoma į malkinę (me-

džio liemens viršūnės, stambios šakos ir nekokybiškos liemens dalys, iš

kurių negalima gaminti medienos asortimentų), menkavertę ir kirtimo

atliekas (šakos, viršūnės, žievė, spygliai ir kt., kurių vidutiniškai susikau-

pia nuo 0,4 iki 0,8 tonų orasausės biomasės hektare per metus).

Atskira rūšis yra trumpos apyvartos arba sumedėjusių augalų

plantacijų želdiniai – intensyvia technologija (purenant žemę, tręšiant,

purškiant...) specialiai veisiami ir auginami labai aukšto produktyvumo

augalai, skirti miško teikiamoms žaliavoms gauti. Jie privalo gerai prigyti

dauginant vegetatyviniu būdu, produkuoti daug biomasės ir jauname

amžiuje greitai augti, ilgai išlaikyti atžėlimo pajėgumą, būti atsparūs

kenkėjams, ligoms ir meteorologinėms sąlygoms bei išsiskirti gera ener-

getine verte. Plačiausiai plantacijose auginami gluosniai ir karklai, taip

pat blindės, hibridinės tuopos, drebulės, beržai, alksniai ir kiti. Lietuva

yra miškų zonoje, todėl sumedėję augalai yra natūrali jos augalija ir pui-

kiai auga. Intensyvia technologija auginamų sumedėjusių augalų prieau-

gis plantacijose yra nuo 7 iki 20 t/ha sausosios biomasės per metus. Jos

8

paprastai auginamos iki 30 metų, o rotuojama kas 1...15 metų. Pavyz-

džiui, karklai – kas 4...5 metus, tuopos – kas 5...10 metų, beržai – kas

10...15 metų. Senesnių augalų produktyvumas mažėja, todėl plantacija

yra rekultivuojama ir persodinama.

Energetinių nesumedėjusių augalų biomasė – perteklinė arba spe-

cialiai, ne maistui ir pašarams, auginama žemės ūkio produkcija, pavyz-

džiui, grūdai, topinambai, cukriniai runkeliai, daugiametės žolės, dramb-

liažolės ir kt. Tai aukštos kokybės biomasė, kuriai dažnai būdingas dide-

lis sausųjų medžiagų kiekis ir koncentracija derliaus nuėmimo vietoje.

Biomasei skirtos žemės ūkio produkcijos auginimui gali būti naudoja-

mos mažiau derlingos, rekultivuojamos, dirvonuojančios ir kitos žemės,

esančios prie kelių bei aplinką teršiančių objektų. Nepakenkiant kitoms

ūkio šakoms, biomasės auginimui Lietuvoje galima skirti 10...15 % že-

mės ūkio naudmenų. Biodegalų ir biokuro išeiga iš žemės ūkio augalų ir

jų produktų priklauso nuo žaliavos rūšies, jos derlingumo ir cheminės

sudėties, šalies agrarinio išsivystymo, naudojamos konversijos technolo-

gijos (1 lentelė).

1 lentelė. Biokuro išeiga iš kai kurių žemės ūkio produktų [4, 20]

Žemės ūkio

produktai

Biokuro rūšis

Derlin-gumas t/ha

Konversijos efektyvumas

litrai/t

Biokuro išeiga

litrai/ha

Cukriniai runkeliai etanolis 41,3...46 85...110 2770...5060

Kukurūzai etanolis 4,9...9,4 377...400 1847...3751

Ryžiai etanolis 4,2 430 1806

Kviečiai etanolis 2,8 340...372 952...1042

Kvietrugiai etanolis 2,47 370...376 720

Aliejinė palmė biodyzelis 17,8...20,6 230 4092...4736

Soja biodyzelis 2,4...2,7 205 491...552

Žieminiai rapsai biodyzelis 3,37...4,04 320 1056...1327

Vasariniai rapsai biodyzelis 2,21...2,61 320 536...835

Topinambų stiebagumbiai

etanolis 45,3 103 4500...4666

Bulvės etanolis 10,3 115 940

9

Biomasei auginami nesumedėję augalai skirstomi į tris grupes:

kaupiančius angliavandenius, riebalus ir užauginančius didelį kiekį žalio-

sios masės. Angliavandenius žemės ūkio augalai kaupia krakmolo, sacha-

ridų, o sumedėjusių dalių turintys augalai – celiuliozės pavidalu. Jie

dažniausiai naudojami etanolio arba biodujų gamybai.

Lietuvoje pagrindiniai sacharidus kaupiantys augalai yra cukri-

niai runkeliai. Populiarėja topinambai. Jų antžeminė dalis gali būti nau-

dojama biokurui, o stiebagumbiai – etanolio gamybai. Topinambų stie-

bagumbiuose sukaupiama apie 15 % cukraus ir, lyginant su kviečiais,

etanolio išeiga pasiekiama apie 2 kartus didesnė. Jie nereiklūs auginimo

sąlygoms, atsparūs šalčiui, todėl puikiai adaptuojasi prie mūsų klimatinių

sąlygų.

Plačiau paplitęs krakmolingų augalų – javų, auginimas. Jų grū-

duose krakmolo sukaupiama nuo 50 % iki 80 %. Javų grūdų krakmolin-

gumas priklauso nuo augalo rūšies, veislės genetinių savybių, auginimo

sąlygų ir agrotechnikos, ypač tręšimo. Didžiausia etanolio išeiga gauna-

ma iš kukurūzų grūdų. Tačiau jų Lietuvoje išauginama nepakankamai.

Jie vėlai bręsta ir jų derliaus sėkmė labai priklauso nuo metų meteorolo-

ginių sąlygų. Kukurūzai taip pat gali būti naudojami kaip žalioji masė.

Viename hektare jos užauga 50...60 tonų.

Aliejų kaupiantys augalai – rapsai, linai, sojos, saulėgrąžos ir kiti,

naudojami biodyzelio gamybai. Geriausiomis savybėmis pasižymi biody-

zelis, pagamintas iš rapsų aliejaus. Žieminiai ir vasariniai rapsai yra pa-

grindiniai Lietuvoje auginami aliejiniai augalai. Sėklose jie sukaupia iki

40...45 % aliejaus. Pradėti auginti kaip pašariniai augalai, pastaruoju me-

tu pagrindinė rapsų paskirtis yra techninė. Daugiau nei pusė (60...70 %)

rapsų sėklų naudojama biodyzeliui reikiamo aliejaus gamybai. Rapsų

pasėlių plotai per pastarąjį dešimtmetį padidėjo beveik du kartus ir

prognozuojama, kad 2015 metais sieks 230 tūkst. ha, o vidutinis derlin-

gumas – 2,6...3,0 t/ha.

Kita energetinių nesumedėjusių augalų grupė yra augalai, geban-

tys išauginti didelį kiekį žaliosios masės. Jie taip pat privalo būti greitai

augantys, nereiklūs ir lengvai dauginami, optimalios perdirbimui chemi-

nės sudėties, didelės energetinės vertės ir nesudėtingos bei pigios augi-

nimo ir nuėmimo technologijos. Energetinių žolynų biomasė naudoja-

ma kietojo biokuro ir biodujų gamybai. Tai gali būti tradicinės, Lietuvo-

je gerai augančios varpinės žolės, pavyzdžiui, nendriniai dryžučiai, be-

ginklės dirsės, nendriniai eraičinai, kanapės, kurios išaugina nuo 5 iki 15

10

tonų sausosios biomasės iš hektaro. Taip pat mėginama adaptuoti vieti-

nėms sąlygoms įvežtines augalų rūšis, pavyzdžiui, drambliažoles, kurios

gali augti nederlingose, sausringose žemėse ir išsiskiria dideliu derlin-

gumu. Vidutinio klimato juostoje drambliažolių žolės derlius siekia iki

20 t/ha sausosios masės per metus.

Gamybos šalutiniai produktai ir komunalinės organinės atliekos.

Nuėmus ir apdorojus derlių, visuomet lieka nenaudojamos augalų dalys

(šalutinė žemės ūkio gamybos produkcija) bei jų apdorojimo atliekos:

šiaudai, kūlenos, grikių lukštai, bulvienojai, cukrinių runkelių lapai ir

t. t. Tai didelis kiekis biomasės (2 lentelė), dažniausiai labai išsklaidytas,

nekoncentruotas. Jam surinkti reikia didelių darbo ir laiko sąnaudų, spe-

cialių technologijų.

2 lentelė. Žemės ūkio augalų šalutinė produkcija (2006...2010 m. duomenys) [16]

Augalas

Šalutinė

produk-

cija

Santykis tarp

pagrindinės ir

šalutinės

produkcijos

Lyginamasis

šalutinės

produkcijos

kiekis t/ha

Visa šalu-

tinė pro-

dukcija

tūkst. t

Žieminiai kviečiai šiaudai 1:1 3,86 1102

Vasariniai kviečiai šiaudai 1:0,9 2,6 147,6

Žieminiai kvietrugiai šiaudai 1:1,2 3,5 213,6

Vasariniai kvietrugiai šiaudai 1:1 2,45 28

Žieminiai miežiai šiaudai 1:1 3,16 25

Vasariniai miežiai šiaudai 1:1 2,74 860

Žieminiai rapsai kūlenos 1:1,4 3,04 50,4

Vasariniai rapsai kūlenos 1:1,3 2,25 130

Avižos šiaudai 1:1,1 2,34 122,1

Kukurūzai stiebas 1:2,5 6 13,2

Žirniai šiaudai 1:1,3 2,87 36,4

Pupos kūlenos 1:2,1 4,28 10,5

Cukriniai runkeliai

lapai 1:0,6 20,9 539,4

Didelį augalinės kilmės atliekų potencialą žemės ūkyje sudaro

šiaudai. Šiaudai, taip pat ir šienas iki šiol yra mažai išnaudotas išteklis.

Skirtingų javų šiaudų ir grūdų derlingumo santykis kinta nuo 0,6 iki

1,2. Lietuvoje kasmet lieka nepanaudotų apie 2,4 milijonai tonų šiaudų.

11

Nepakenkiant kitoms ūkio šakoms, energetinėms reikmėms galima skirti

apie ketvirtį šio kiekio. Pagal kaloringumą viena tona šiaudų prilygsta

0,28 t mazuto. Lietuvoje didžiausias šiaudų kiekis sukaupiamas Šiaulių,

Panevėžio, Marijampolės ir Kauno apskrityse. Jie surenkami į įvairaus

dydžio ryšulius, kurie palengvina tolesnes jų transportavimo ir saugoji-

mo technologijas.

Gyvulininkystėje susidaro dideli mėšlo kiekiai (3 lentelė). Tai yra

neišvengiamas gyvulininkystės šalutinis produktas.

3 lentelė. Mėšlo, gaunamo iš 1 gyvulio per tvartinio laikotarpio mėnesį, tūris [16]

Gyvulys

Kreikiant Nekreikiant Biodujų išeiga

m3/kg OM

Tirštojo mėšlo

m3

Srutų

m3

Skystojo

mėšlo m3

Vandens nuplauti

m3

Melžiamoji karvė 1,47...1,86 0,41...0,53 1,37...1,76 0,60...0,80

0,2...0,3

Penimas galvijas

nuo 6 iki 21 mėn. amžiaus

1,06 0,29 0,99 0,45

Mėsinė veislinė

karvė su veršeliu 1,39 0,38 nerekomenduojama

Paršavedė su 18 paršelių iki 20 kg

masės

0,49 0,13 0,43 0,15

0,25...0,5 Penimoji kiaulė nuo 20 iki 100 kg masės

0,12 0,04 0,12 0,15

Arklys 1,33 0,00 nerekomenduojama

Avis 0,19 0,00 nerekomenduojama

100 broilerių 0,83 0,00 nerekomenduojama

0,35...0,6 100 kitų paukščių

(ančių, žąsų, kalakutų)

1,00 0,00 nerekomenduojama

Žymėjimas: OM – organinė medžiaga;

„ “ – nėra duomenų.

12

Pagal prigimtį mėšlas skirstomas į galvijų, arklių kiaulių, paukš-

čių ir t. t. Jo kaupimosi intensyvumas priklauso nuo gyvulių rūšies, jų

amžiaus ir produktyvumo, laikymo būdo ir pašarų sudėties. Pavyzdžiui,

per mėnesį tvartinio laikotarpio iš vienos produktyvios karvės gaunami

beveik 2 m3 mėšlo, o iš vienos paršavedės su paršeliais – iki 0,5 m3

mėšlo.

Priklausomai nuo sausųjų medžiagų kiekio, mėšlas gali būti trijų rūšių:

▬ tirštasis – gaunamas naudojant daug kraiko, turi ne mažiau kaip 20 % sausųjų medžiagų;

▬ pusiau skystasis – gaunamas naudojant kraikinį ir bekraikį laikymo būdą, turi 12...20 % sausųjų medžiagų;

▬ skystasis – gaunamas nenaudojant kraiko, turi mažiau nei 12 % sausųjų medžiagų.

Mėšlas yra vertinga žaliava biodujų gamybai. Jis sudaro didžiąją

dalį biodujų jėgainėse perdirbamos biomasės. Ypač vertingas skystas

kiaulių mėšlas, kuriame sausųjų medžiagų koncentracija ir anglies bei

azoto santykis yra artimi optimaliam.

Taip pat negalima pamiršti kitų organinių atliekų: naudotos me-

dienos, buitinių atliekų, nuotekų valymo dumblo ir t. t., kuriose su-

kauptas didelis biomasės kiekis ir kuri yra puiki žaliava įvairioms kon-

versijos technologijoms. Pavyzdžiui, statybose, medienos pramonės

įmonėse susidarančios medienos atliekos gali būti naudojamos biomasės

terminės konversijos technologijose. Lyginant su miško kirtimo atlie-

komis, jos yra sausesnės, kaloringesnės, didesnio tankumo, bet dažnai

turi pašalinių medžiagų. Tai apriboja jų kaip biokuro naudojimo galimy-

bes arba reikalauja specialių technologijų, dūmų valymo sistemų taiky-

mo deginimo procese.

Degios atliekos taip pat sudaro vis didesnę dalį komunalinių at-

liekų. Kasmet daugėja plastiko, popieriaus. Kartu didėja vidutinis atliekų

kaloringumas (4 lentelė). Sudeginus atliekų masė sumažinama iki

25...30 %, o tūris – iki 10...20 % pradinės atliekų masės ir tūrio. Suma-

žėja jų pervežimo kaštai ir sąvartynų plotai. Lietuvoje komunalinių at-

liekų potencialas yra apie 1 mln. tonų per metus.

13

4 lentelė. Tipinė buitinių atliekų sudėtis Europoje [13]

Atliekų rūšis Kiekis Kaloringumas kJ/kg

Popierius ir kartonas 30 14600

Organinės atliekos 30 6600

Metalai 8 Plastikas 8 37000

Stiklas 9 Audiniai 4 16000

Kitos 11 9000

Žymėjimas: „ “ – nėra duomenų.

14

2. AUGALINĖS BIOMASĖS SAVYBĖS IR LAIKYMO PROBLEMOS

2.1.Medžiagos drėgnis

Drėgną medžiagą sudaro sausosios medžiagos ir vanduo:

,2.. OHms mmM (1)

čia: M – drėgnos medžiagos masė, kg;

ms.m. – sausosios medžiagos masė, kg;

mH2O – drėgmės kiekis medžiagoje, kg.

Vanduo yra neatsiejama kiekvieno gyvo organizmo sudedamoji

dalis. Tik turinčioje vandens gyvoje ląstelėje gali vykti biocheminiai

medžiagų apykaitos procesai. Tačiau drėgmės (vandens) kiekis biomasė-

je nėra pastovus. Jis priklauso nuo biomasės rūšies, aplinkos sąlygų ir

metų laiko. Biomasės drėgnis – joje esančios drėgmės kiekis, išreiškia-

mas absoliučiuoju arba santykiniu drėgniu. Jis išreiškiamas procentais,

rečiau vieneto dalimis.

Santykinis drėgnis yra medžiagoje esančios drėgmės kiekio ir

drėgnos medžiagos kiekio santykis:

;1002 M

m OH (2)

,100.2..

2

OHms

OH

mm

m (3)

čia – santykinis medžiagos drėgnis, .

Absoliutusis drėgnis yra medžiagoje esančios drėgmės kiekio ir

absoliučiai sausos medžiagos kiekio santykis:

;100..

2 ms

OH

am

m (4)

,100.2

2

OH

OH

amM

m (5)

čia a – absoliutusis medžiagos drėgnis, .

15

Absoliutusis drėgnis tiksliau apibūdina medžiagos drėgnį, nes

medžiagoje esantis vandens kiekis lyginamas su nekintančia medžiagos

dalimi – sausosios medžiagos mase. Absoliučiojo drėgnio reikšmė gali

būti tiek mažesnė, tiek didesnė nei 100 . Tačiau dažniau vartojama

santykinio drėgnio sąvoka (5 lentelė). Priešingai nei absoliutusis drėgnis,

santykinis drėgnis negali įgyti reikšmę, didesnę nei 100 .

5 lentelė. Kai kurių augalinės biomasės rūšių santykinis drėgnis

Eil.

Nr.

Augalinės

biomasės rūšis

Drėgnis

Augimo/nuėmimo metu

Rekomenduojamas laikant/naudojant

Sumedėję augalai

1 malkinė 40...60 15...20

2 skiedros 35...55 25...35

3 Durpės 38...48

4 Šiaudai 25...60 15...20

5 Žoliniai augalai 65...85 17...18

Javų grūdai

6 kviečiai

12...50 14...14,5 7 kvietrugiai

8 miežiai

9 kukurūzai 25...60 13,5

10 Rapsai 6...35 8...8,5

Sultingi produktai

11 bulvės

75...80 Natūralaus drėgnio /

10...14 * 12 cukriniai runkeliais

13 topinambai

Pastabos: pateikiamos drėgnių ribos yra rekomendacinio pobūdžio ir gali

keistis veikiant konkrečioms augimo-laikymo sąlygoms bei paskir-

čiai;

„*“ – priklauso nuo sultingų produktų laikymo būdo: sandėliuojant

šviežius – laikomi natūralaus drėgnio, kurį svarbu išsaugoti; sandė-

liuojant džiovintus – produktai džiovinami iki 10...14 .

16

Padauginus lygties (3) skaitiklį ir vardiklį iš

100

1

..msm, o lyg-

ties (5) skaitiklį ir vardiklį – iš

100

1

M, išvedamos lygtys, aprašančios

priklausomybę tarp santykinio ir absoliučiojo medžiagos drėgnio:

;100

100

a

a

(6)

.100

100

a

(7)

Medžiagoje sukauptas vanduo (drėgmė) yra nevienalytis. Daž-

niausiai jis skirstomas pagal jo ryšio formą su medžiaga, jos skeletu:

▬ chemiškai sujungtoji drėgmė. Tai tvirčiausiais ryšiais su medžia-

gos skeletu sujungtas vanduo. Šis ryšys susidaro vandens molekulei da-

lyvaujant cheminėse reakcijose. Vanduo praktiškai išnyksta, ir pašalinti iš

medžiagos jį galima tik keičiant cheminę sandarą arba deginant;

▬ fiziškai-chemiškai sujungtoji drėgmė. Šis medžiagoje sukauptas

vanduo kitaip vadinamas sujungtuoju vandeniu. Tai absorbcinė, osmo-

sinė ir struktūrinė drėgmė. Medžiagos absorbuotas vanduo kaupiasi

sluoksniais apie medžiagos skeletą, veikiamas molekulinių sankabos jė-

gų. Priešingai nei osmosinė ir struktūrinė drėgmė, savo savybėmis jis

skiriasi nuo įprasto vandens: jo klampumas ir šiluminis laidumas suma-

žėja perpus, iki –78 °C nukrenta užšalimo temperatūra, padidėja absor-

buoto vandens, taip pat ir kūno tankis. Osmosinės ir struktūrinės drėg-

mės kiekis daug kartų viršija absorbuoto vandens kiekį. Tačiau ją su

medžiaga jungia silpnesni ryšiai. Struktūrinė drėgmė sujungia mažus

struktūrinius elementus, o osmosinis vanduo kaupiasi pačioje ląstelėje,

prasiskverbdamas pro jos membraną dėl koncentracijų skirtumo. Dėl

osmosinės drėgmės medžiaga išbrinksta;

▬ mechaniškai sujungtoji drėgmė arba laisvasis vanduo – tai porose

ir kapiliaruose besikaupianti drėgmė. Atsižvelgiant į kapiliarų dydį, ji

skirstoma į mikrokapiliarinę ir makrokapiliarinę drėgmę. Pastarieji

drėgme užsipildo tik esant tiesioginiam kontaktui su vandeniu, o mikro-

kapiliaruose ji gali susikaupti ir absorbuojant vandens molekules iš

drėgno oro. Tai lengviausiai pašalinama ir greičiausiai atsinaujinanti

17

drėgmė medžiagoje. Jos buvimas sąlygoja didelį biologinį biomasės ak-

tyvumą: didelį kvėpavimo ir kitų biocheminių bei mikrobiologinių pro-

cesų intensyvumą.

2.2. Biometrinės savybės

Kiekvienos dalelės (produkto) matmenys apibūdinami trimis ar-

ba keturiais parametrais (1 pav.): pavyzdžiui, grūdų, bulvių, malkų ir

pan., ilgiu, pločiu ir storiu arba aukščiu, o medienos kapotinio – ilgiu,

pločiu, aukščiu arba storiu ir pjovimo (kirtimo) kampu. Analizuojant

šilumos ir masės mainus, ypatingą reikšmę turi santykis tarp ilgio ir plo-

čio. Ovalios formos kūnai džiūsta ir drėksta lėčiau nei pailgos formos,

nes juose drėgmei tenka įveikti ilgesnį kelią skverbiantis iš kūno centro į

išorę arba iš aplinkos į kūno centrą.

a) b)

1 pav. Smulkintos biomasės dalelės ir produkto geometrinė charakteristika –

matmenys: a – medienos kapotinio; b – žemės ūkio produkto, pavyzdžiui, grūdo;

l – ilgis; b – plotis; s – storis; – pjovimo (kirtimo) kampas [21]

Supaprastinimui dažnai priimama, kad dalelė arba produktas yra

taisyklingos rutulio formos ir apibūdinamas ne trimis arba keturiais pa-

rametrais, o vienu – skersmeniu. Rutulio formos kūnus lengviau tarpu-

savyje lyginti, skaičiuoti bei modeliuoti šilumos ir masės mainus. Prii-

mamo rutulio tūris yra lygus tikrajam produkto arba dalelės tūriui, o jo

skersmuo vadinamas ekvivalentiniu skersmeniu:

323,1 Vde , (8)

18

čia: de – ekvivalentinis kūno (produkto arba dalelės) skersmuo, m;

V’ – kūno arba dalelės tikrasis tūris, m3.

Biomasės laikymo metu su aplinka vykstančių šilumos ir masės

mainų intensyvumui didelę įtaką turi paviršiaus plotas, per kurį vyksta

minėti procesai. Todėl svarbus produktą arba dalelę apibūdinantis para-

metras yra jo lyginamasis paviršiaus plotas – kūno paviršiaus plotas, ten-

kantis jo tūrio vienetui:

V

Aa

'

0, (9)

čia: a’o – lyginamasis kūno (produkto arba dalelės) paviršiaus plotas,

m2/m3;

A’ – kūno (produkto arba dalelės) paviršiaus plotas, m2.

Lyginamasis paviršiaus plotas priklauso nuo kūno formos ir

matmenų. Kuo smulkesnis produktas arba dalelė, tuo didesnis jų lygi-

namasis paviršiaus plotas ir intensyvesni šilumos bei masės mainai su

aplinka. Tačiau sampilas, kuris suformuojamas biomase užpildžius tam

tikrą tūrį, sumažina mainuose su aplinka aktyviai dalyvaujantį produkto

arba dalelės paviršiaus plotą. Besiliesdami kūnai uždengia dalį viena kito

paviršiaus ir sumažina aktyviai šilumos bei masės mainuose dalyvaujantį

paviršiaus plotą. Todėl lyginamasis sampilo paviršiaus plotas visuomet

yra mažesnis už sampilą sudarančių produktų arba dalelių paviršių plotų

sumą:

1'

00 aa , (10)

čia: ao – lyginamasis sampilo paviršiaus plotas, m2/m3;

– sampilo poringumas, vnt. d.

Suformuotame biomasės sampile tarp produktų arba dalelių, ku-

rie sudaro kietąją sampilo dalį, visuomet yra tarpų. Ši laisva erdvė api-

būdinama sampilo poringumu :

gr

1 , (11)

čia: pr – biomasės (produkto arba dalelės) tikrasis tankis, kg/m3;

– biomasės sampilo tankis, kg/m3.

19

Poringumas išreiškiamas procentais arba vieneto dalimis ir api-

būdina, kokią dalį sampilo tūrio užima oras. Jis turi didelės įtakos dau-

geliui sampile vykstančių procesų: pralaidumui dujoms ir skysčiui, aero-

dinaminiam pasipriešinimui, aktyviosios ventiliacijos veikimui, gyvųjų

sampilo sudėtinių dalių aprūpinimui deguonimi, sorbcinėms savybėms,

temperatūriniam laidumui ir kt.

Sampilo poringumą lemia produktų arba dalelių forma, drėgnis,

paviršiaus šiurkštumas, priemaišų kiekis, pobūdis ir t. t. Didelę įtaką taip

pat turi talpos arba sandėlio sienos. Prie talpos arba sandėlio sienų sam-

pilo poringumas visuomet yra didžiausias ir priartėja prie vidutinės

reikšmės atitolęs nuo sienos per 3...5 sampilą sudarančių produktų arba

dalelių ekvivalentinius skersmenis. Išimtį sudaro atvejai, kai sampilo

poringumas yra didesnis arba lygus 0,8. Tuomet vidutinė poringumo

reikšmė pasiekiama atitolus nuo sienelės tik per vieną produkto arba

dalelės ekvivalentinį skersmenį.

2.3. Aerodinaminis pasipriešinimas

Biomasės sampilas, kaip ir bet kokios kitos birios medžiagos

sampilas, sukuria tam tikrą pasipriešinimą besiskverbiančiam oro srautui.

Jis apibūdinamas sluoksnio aerodinaminiu pasipriešinimu – aerodinami-

nis pasipriešinimas, kurį sukuria ventiliuojamas biomasės sampilo

sluoksnis, arba lyginamuoju aerodinaminiu pasipriešinimu – aerodina-

minis pasipriešinimas, kurį sukuria 1 metro storio biomasės sampilo

sluoksnis.

Patiriamiems slėgio nuostoliams turi įtakos daugybė veiksnių, ta-

čiau daugiausia pasipriešinimo dydis priklauso nuo trijų veiksnių:

sluoksnio storio, poringumo ir oro filtracijos greičio. Papildomai galima

paminėti sluoksnyje esančių porų stambumą ir kietųjų dalelių paviršiaus

būklę (šiurkštumą). Kiti veiksniai: šiukšlingumas, medžiagos drėgnis,

dalelių dydis, forma ir kt., patiriamus slėgio nuostolius dažniausiai veikia

per sluoksnio poringumui daromą įtaką.

Didėjant sluoksnio storiui ir oro filtracijos greičiui, slėgio nuo-

stoliai didėja. Jų priklausomybė nuo sampilo aukščio yra tiesinė arba

laipsninė: mhpP , (12)

20

čia: P – biomasės sampilo aerodinaminis pasipriešinimas, Pa;

h – biomasės sampilo aukštis, m;

p – lyginamasis biomasės sluoksnio aerodinaminis pasiprieši-

nimas, Pa/m;

m – laipsnio rodiklis, įvertinantis sampilo susislėgimą.

Per biomasės sampilo sluoksnį pratekančio oro patiriamus slėgio

nuostolius galima nustatyti eksperimentiniu būdu arba pasinaudoti aero-

dinaminį pasipriešinimą nagrinėjusių mokslininkų darbais. Jie yra pasiū-

lę daug grafinių būdų bei analitinių išraiškų sluoksnio aerodinaminiam

pasipriešinimui arba lyginamiesiems slėgio nuostoliams apskaičiuoti.

Dažniausiai slėgio nuostolių priklausomybė nuo filtracijos grei-

čio išreiškiama laipsnine lygtimi: nvRp (13)

arba dvinariu polinomu: 2

21 vRvRp , (14)

čia: p – lyginamasis sampilo sluoksnio aerodinaminis pasipriešini-

mas, Pa/m;

R – koeficientas, įvertinantis biomasės aerodinaminį pasiprieši-

nimą oro srautui;

R1 – koeficientas, įvertinantis biomasės aerodinaminį pasiprieši-

nimą laminariniam oro srautui, (Ns)/m4;

R2 – koeficientas, įvertinantis biomasės aerodinaminį pasiprieši-

nimą turbulentiniam oro srautui, (Ns2)/m5;

n – biomasės aerodinamines savybes apibūdinantis laipsnio ro-

diklis.

Didinant oro filtracijos greitį, sampilo pasipriešinimas oro srautui

didėja. Oro srautas stengiasi biomasės daleles pakreipti taip, kad jų pasi-

priešinimas būtų mažiausias. Atkarpoje AB biomasės sampilas pradeda

plėstis (2 pav.). Padidėja jo užimamas tūris. Esant kritiniam greičiui vkr,

kurio reikšmė priklauso nuo konkrečių biomasės sampilą sudarančių

produktų arba dalelių savybių, sampilo aerodinaminis pasipriešinimas

pasiekia maksimumą (taškas B). Toliau didinant oro srautą, slėgio nuo-

stoliai sampile mažėja ir pradeda formuotis kunkuliuojantis sluoksnis

(atkarpa BC). Čia pastebimi lokalūs oro prasiveržimai ir nestabilus kun-

21

kuliuojantis sluoksnis. Taškas C žymi didžiausią aerodinaminio pasiprie-

šinimo nuosmukį, esant oro filtracijos greičiui v’vir. Tai pirmosios kun-

kuliuojančio sluoksnio stadijos pradžia. Atkarpoje CD patiriami slėgio

nuostoliai vėl šiek tiek padidėja, biomasė tampa takesnė, o sampilo kun-

kuliavimas – tolygesnis ir stabilesnis. Taškas D nurodo kunkuliuojančio

sluoksnio antrosios stadijos pradžią. Kintant oro filtracijos greičiui nuo

v’’vir iki vsk , susiformuoja stabilus sūkurinis kunkuliuojantis sluoksnis,

kurio aerodinaminės savybės nuo oro greičio jau nepriklauso. Viršijus

kritinio greičio vsk reikšmę, oro srautas biomasės sampilą sudarančius

produktus arba daleles pradeda nešti lauk iš laikymo talpos.

2 pav. Ventiliuojamo biomasės sampilo būsenos priklausomybė nuo oro

filtracijos greičio: 1 – normalaus tankio sluoksnis; 2 – iškedentas sluoksnis;

3 – pereinamoji stadija; 4 – pirmoji kunkuliuojančio sluoksnio stadija; 5 – antroji

kunkuliuojančio sluoksnio stadija [22]

Per sampilą pratekančio oro filtracijos greitį ir oro srautą riboja

biomasės skrajumas. Šį aerodinaminė savybė pasireiškia veikiant bioma-

sę oro srautu ir apibūdinama oro srauto kritiniu arba skrajumo greičiu.

Tai greitis, kuris palaiko biomasės sampilą sudarančias daleles ore skra-

jumo būsenos. Jis priklauso nuo dalelių stambumo, formos ir tankio.

22

3 pav. Principinės sorbcijos ir desorbcijos

izotermos [14, 23]

2.4. Higroskopinės savybės

Drėgmės kiekis biomasėje nėra pastovus dydis. Ji gali džiūti, pra-

rasdama drėgmę, o kai kurios biomasės rūšys, pavyzdžiui, grūdai, žoli-

niai augalai, mediena ir kt., dėl kapiliarinės poringosios struktūros gali

drėgmę tiek išskirti į aplinką, tiek ją iš aplinkos sugerti ir sulaikyti. Tarp

ląstelių ir audinių esančių makrokapiliarų ir mikrokapiliarų sienelės su-

daro aktyvų medžiagos paviršių. Pavyzdžiui, 1 grame grūdo aktyvaus

paviršiaus plotas sudaro 200…250 m2, o 1 grame aktyvuotos anglies –

apie 900 m2.

Savybė absorbuoti arba desorbuoti vandens garus yra vadinama

higroskopiškumu. Kuria kryptimi vyks masės mainai, lemia skirtumas

tarp dalinių vandens garų slėgių žaliavoje p‘ ir aplinkos ore papl. Jeigu

p‘ papl, tai biomasė sudrėks dėl vandens garų sorbcijos iš aplinkos oro.

Jeigu p‘ papl , tai vyksta atvirkščias procesas – biomasės drėgnis mažėja

dėl vandens migracijos (desorbcijos) į aplinką. Kai p‘ papl, nusistovi

dinaminė pusiausvyra, o biomasės drėgnis tokiomis sąlygomis vadina-

mas lygsvariniu drėgniu l. Šio dydžio reikšmė priklauso nuo tempera-

tūros, dalinio vandens garų slėgio ore arba oro santykinio drėgnio ir

medžiagos savybių, ypač nuo cheminės sudėties. Maksimalios sorbcinės

savybės apibūdinamos higroskopiniu drėgniu h, susidarančiu biomasėje

esant 100 santyki-

niam aplinkos oro

drėgniui.

Priklausomybė

f() yra izoterma

(3 pav.), kadangi pu-

siausvyros būsenos

biomasės temperatūra

lygi aplinkos oro tem-

peratūrai. Daugumos

higroskopiškų produk-

tų šios izotermos pa-

našios ir primena

„S“ raidę su tiesia arba

23

b)

artima tiesei vidurine da-

limi, kuri paprastai prasi-

deda esant apie 10...20

ir baigiasi esant apie

73...90 oro santykiniam

drėgnumui. Medžiagų

sorbcijos izotermos nusta-

tomos eksperimentiniu

keliu. Sorbcijos izotermos,

gautos medžiagai džiūs-

tant, vadinamos desorbci-

jos, drėkstant – adsorbcijos

izotermomis. Biomasės su

kapiliariniu poringuoju

skeletu adsorbcijos ir de-

sorbcijos kreivės nesutam-

pa: lygsvarinis drėgnis

džiūvimo metu visuomet

būna didesnis nei drėks-

tant. Šis izotermų nesu-

tapimo reiškinys vadina-

mas sorbcijos histereze.

4 paveiksle pateik-

tos kai kurių augalinės

biomasės rūšių – kviečių

grūdų, rapsų sėklų, šiaudų,

pievų žolės ir medienos,

desorbcijos izotermos prie

20 °C aplinkos temperatū-

ros.

4 pav. Kai kurių augalinės biomasės rūšių desorbci-

jos izotermos, esant 20 °C aplinkos temperatūrai:

a – kviečių grūdų ir rapsų sėklų;b – šiaudų ir pievų žolės;

c – medienos [8, 15]

a)

c)

24

Daug mokslininkų mėgino aprašyti skirtingų produktų absorbci-

jos ir desorbcijos izotermas matematiškai. Tačiau drėgmės ir medžiagos

skeleto ryšio stiprumo skirtumai apsunkina sorbcijos kreivių aprašymą

viena lygtimi. Naudojimui pateikiamos formulės lygsvariniam drėgniui

apskaičiuoti dažniausiai yra pakankamai tikslios ir galioja tik tam tikruo-

se intervaluose. Pavyzdžiui, žolių desorbcijos izotermos, kai oro santy-

kinis drėgnumas 0,2...0,75, aprašymui dažniausiai naudojama Hender-

son‘o lygtis:

npXTK

e

1 , (15)

čia: – santykinis oro drėgnumas, vnt. d.;

T – temperatūra, °C;

Xp – pusiausvyrinis drėgnis; % s. m.;

K ir n – koeficientai.

Medienos lygsvarinio drėgnio, kai oro santykinis drėgnumas

0,5...1,0, mažiausią paklaidą būdinga Krečetov‘o lygčiai:

2

1007.21

21.1

512.0 TX p

. (16)

Naudojantis sorbcijos izotermomis galima spręsti apie būtinas

aplinkos sąlygas, saugant biomasės derlių, arba reikiamą džioviklio drėg-

numą ir temperatūrą, siekiant išdžiovinti biomasę iki pageidaujamo

drėgnio.

2.5. Biologinės savybės

Charakteringiausia augalinės biomasės savybė – biologinė pri-

gimtis. Tai gyvi organizmai, iš kurių kai kurie, pavyzdžiui, grūdai, šak-

niavaisiai, šakniagumbiai ir kiti, gyvybingumą išsaugo ir nuėmus derlių.

Jiems būdingos ne tik fizikinės, bet ir biologinės savybės: brendimas,

mechaninių pažeidimų gijimas, ramybės būklė, dygimas ir, svarbiausia,

kvėpavimas.

Dalyvaujant deguoniui, fermentams ir vandeniui, kvėpavimo

metu skaldomos organinės medžiagos ir išskiriama energija, kuri reika-

linga gyvų augalinės biomasės produktų gyvybiniams procesams. Kvė-

25

puojant dažniausiai skaldomi angliavandeniai, rečiau – riebalai ir balty-

mai. Tačiau tik nedidelė dalis išsiskyrusios energijos sunaudojama jų

gyvybiniams procesams. Didžioji dalis energijos virsta šiluma ir yra iš-

skiriama į aplinką. Ji kaupiasi biomasės sluoksnyje, kurio temperatūra

didėja, o kartu intensyvėja produktų gyvybiniai procesai.

Kvėpavimo intensyvumas priklauso nuo biomasės rūšies, drėg-

nio, aplinkos temperatūros, dujų sudėties, laikymo sąlygų ir trukmės,

pažeidimo lygio ir kitų savybių bei aplinkybių. Ypač didelę įtaką turi

temperatūra ir jos pastovumas. Kuo aukštesnė temperatūra ir kuo dides-

ni bei dažnesni jos svyravimai, tuo produktai kvėpuoja intensyviau.

Augalinės biomasės produktai gali kvėpuoti dvejopai. Kai aplin-

koje yra pakankamai deguonies, vyksta aerobinis kvėpavimas. Jo metu

organinės medžiagos skaldomos iki anglies dvideginio ir vandens:

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + 2822 kJ. (17)

Anaerobinis kvėpavimas vyksta tuomet, kai produktai laikomi

aplinkoje su mažu deguonies kiekiu arba yra blogai vėdinama. Biomasės

sampile ir aplinkoje nuolat mažėja deguonies kiekis ir didėja CO2 kon-

centracija. Aerobinis kvėpavimas po truputį perauga į anaerobinį, t. y.

kvėpavimą esant deguonies trūkumui. Aerobinis kvėpavimas intensyviai

lėtėja tuomet, kai deguonies aplinkoje sumažėja iki 3 % arba anglies

dvideginio padaugėja 10 kartų. Anaerobinis kvėpavimo labai būdingas

drėgniems grūdams. Anaerobinio kvėpavimo metu organinės medžiagos

skaidomos be deguonies iki tarpinių produktų – etileno, etilo alkoholio,

etilo, acto, pieno rūgščių bei kitų medžiagų. Pavyzdžiui:

C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH + 117 kJ. (18)

Vykstant anaerobiniam kvėpavimui, sulėtėja produktų kvėpavi-

mas, mažiau išsiskiria šilumos, todėl sumažėja masės nuostoliai ir savai-

minio kaitimo pavojus, sulėtėja mikroorganizmų ir vabzdžių veikla, bet

tarpiniai skaidymo produktai gali pakenti produkto kokybei, sumažina

imunitetą ir atsparumą ligoms.

Kvėpavimo intensyvumą galima nustatyti, apskaičiavus sueikvotą

sausųjų medžiagų (gliukozės) arba deguonies ir išsiskyrusių medžiagų

(CO2, H2O ar šilumos) kiekį. Dažniausiai kvėpavimo intensyvumas įve-

rinamas išskiriamu anglies dvideginio kiekiu [mg/t h] arba išskiriamu

šilumos srautu [W/t]. Išskiriamą šilumos srautą galima išmatuoti tiesio-

26

giai arba apskaičiuoti pagal išskirtą anglies dvideginio kiekį. Tyrėjų yra

nustatyta, kad kvėpuojant išskiriamas šilumos srautas yra tris kartus di-

desnis nei anglies dvideginio kiekis: '3 gq , (19)

čia: q – kvėpavimo šiluma arba kvėpuojant išskiriamas šilumos srau-

tas, W/t;

g‘ – CO2 kiekis, kurį išskiria 1 kg produkto per 1 valandą,

mg/(kgh).

Išskiriamas šilumos srautas yra proporcinga šilumos srauto padi-

dėjimui dėl temperatūros pokyčio. Tuomet:

bqdt

dq ; (20)

dtqbdq ;

dtbq

dq ;

ctbq ln . (21)

Priėmus ribines sąlygas: t = 0, q = q0, gaunama:

.0ln 0 cbq

Tuomet:

0ln qc ; (22)

0lnln qtbq ;

tbqq 0lnln ;

tbq

q

0

ln ;

tbeq

q 0

. (23)

Taigi: tbeqq 0 , (24)

čia: q0 – kvėpuojant išskiriamas šilumos srautas esant 0 °C, W/t;

27

q – kvėpuojant išskiriamas šilumos srautas esant temperatūrai t,

W/t;

b – temperatūris kvėpavimo intensyvumo koeficientas, 1/°C;

t – esama aplinkos temperatūra, °C.

Taigi, didėjant temperatūrai, kvėpavimo intensyvumas didėja

eksponentiškai. Pavyzdžiui, 1 tona bulvių, esant 0 °C laikymo sąlygoms,

išskiria 10 W šilumos srautą. Pakilus temperatūrai iki 10 °C, išskiriamas

šilumos srautas padidėja beveik 1,9 karto, iki 18,5 W, o pakilus tempera-

tūrai iki 20 °C – iki 34,4 W.

Siekiant išlaikyti augalinės biomasės produktus gyvus, visiškai

nutraukti jų kvėpavimo negalima. Todėl dėl kvėpavimo patiriamų nuo-

stolių visiškai išvengti taip pat neįmanoma. Tačiau teisingai pasirinkus

laikymo būdą ir sąlygas, kvėpavimą ir kitus gyvybinius procesus galima

sulėtinti ir sumažinti patiriami masės nuostolius bei išskiriamą šilumos

srautą. Optimaliomis sąlygomis laikomų javų grūdų nuostoliai siekia tik

0,1…0,4 % per metus, sultingų žemės ūkio produktų – 0,5...0,8 % per

mėnesių, o medienos kapotinio – 1...4 % per metus.

Kvėpavimo intensyvumas padidėja augalinės biomasės produk-

tams pradėjus dygti. Tai neteisingo laikymo rezultatas. Tokia biomasė

yra menkesnės kokybės ir išsiskiria pasikeitusia sausųjų medžiagų sudė-

timi, didesniu šilumos srautu ir kaitimo greičiu.

2.6. Biomasės laikymo problemos

Suformavus biomasės sampilą, sukuriama savarankiška ekologinė

sistema (5 pav.). Jos svarbiausia ir gausiausia sudėtinė dalis yra biomasė,

kuri veikiama fizinių, cheminių bei biologinių veiksnių. Santykiai tarp

biomasės ir gyvų organizmų – organinės medžiagos „vartotojų“ (stubu-

rinių ir nariuotakojų kenkėjų, mikroorganizmų), dažniausiai yra tam

tikros ramybės būklės, o negyvoji aplinka, nors ir lėtai, bet nuolat kei-

čiasi. Bet koks didesnis jos pasikeitimas gali paskatinti gyvų organizmų

gyvybingumą ir tapti pagrindine patirtų nuostolių priežastimi. Todėl

laikant biomasę yra svarbu sukurti optimalias laikymo sąlygas, jas išlai-

kyti kuo stabilesnes ir išvengti kritinių padėčių, kurios išbalansuotų au-

galinės biomasės sluoksnyje susiformavusią pusiausvyrą.

28

5 pav. Sandėliuojamos augalinės biomasės ekologinės sistemos

principinė schema

Dauguma grėsmių: masės praradimas, savaiminis užsiliepsnoji-

mas, tarša mikroorganizmais ir t. t., su kuriomis susiduriama biomasės

laikymo metu, yra biologinės kilmės. Biomasės sampilas yra palanki

terpė kenkėjų ir mikroorganizmų vystymuisi. Jie užteršia sandėliuojamą

žaliavą išnaromis, metabolitais, suteikia specifinį kvapą ir spalvą, pažei-

džia augalininkystės produktų, pavyzdžiui, grūdų, išorinį dengiamąjį

sluoksnį, saugantį juos nuo aplinkos poveikio, menkina sėklinę vertę ir

dygimo energiją, taip pat prisideda prie biomasės papildomo kaitimo ir

drėkimo.

Mikroorganizmai, ypač pelėsiniai grybai, turi didelę įtaką bioma-

sės išsilaikymui ir patiriamiems masės bei kokybės nuostoliams. Jų ląste-

lėse yra įvairių fermentų, kurie skaldo baltymus, riebalus, mineralines

medžiagas ir net ląstelieną. Tačiau žalos mikroorganizmai padaro tik tam

tikromis sąlygomis. Esant nepalankioms aplinkybėms, jie nesimaitina ir

nesidaugina. Jų veiklą lemiantys svarbiausi veiksniai yra drėgnis ir tem-

29

peratūra, taip pat dujų sudėtis aplinkoje. Visgi daugiausia įtakos turinčiu

veiksniu laikoma drėgmė, nes mikroorganizmai gali pasisavinti tik van-

denyje ištirpusiais medžiagas. Pagal drėgmės poreikį jie skirstomi į tris

grupes:

▬ kserofitus – nereiklius drėgmei;

▬ mezofitus – vidutiniškai reiklius drėgmei;

▬ higrofitus – reiklius drėgmei ir egzistuojančius tik labai

drėgnoje terpėje.

Minimalūs pelėsinių grybų drėgmės poreikiai tenkinami esant

biomasei 8...20 % drėgnio, aktyviojo vandens koncentracija siekia

0,65...0,70 (6 pav.). Taigi, grūdų sampile minimaliai palanki terpė mik-

romicetų vystymuisi susiformuoja tuomet, kai grūdai yra kritinio drėg-

nio arba 0,5…1,0 % didesnio drėgnio už kritinį, o sandėliuojamoje su-

medėjusios augalinės biomasės (medieną, medienos kapotinį) rietuvėje,

sąvalkoje arba sampile – apie 20...25 % drėgnio. Ribinio drėgnio reikš-

mė priklauso nuo aplinkos temperatūros ir biomasės rūšies, pavyzdžiui,

varpinių javų grūdų bei varpinių žolių sėklų kritinis drėgnis yra

14,5…15,5 %, ankštinių – 15…16 %, o aliejinių – 8…9 %. Bakterijos yra

reiklesnės drėgmei. Jos paprastai yra gyvybingos tik labai drėgnoje ap-

linkoje, kai aktyviojo vandens koncentracija yra ne mažesnė kaip

0,86...0,9. Todėl su bakterijų veikla paprastai susiduriama laikant sultin-

gus augalininkystės produktus ir skystos arba tirštos frakcijos biomasę.

6 pav. Augalinės biomasės drėgnio įtaka pelėsinių grybų gyvybingumui [5]

Mikroorganizmų augimui palankios temperatūros ribos yra labai

plačios – nuo 0 °C iki 70 °C. Pagal optimalią vystymuisi temperatūrą

mikroorganizmai skirstomi į tris grupes:

▬ psichrofitus;

30

▬ mezofitus;

▬ termofitus.

Dominuojantys sandėliuojamoje biomasėje yra mezofitai, ku-

riems optimaliausios sąlygos vystytis yra nuo 20 °C iki 35 °C, o palan-

kios sąlygos – nuo 8...10 °C iki 40...45 °C, ir mažiau paplitę psichrofitai.

Esant žemesnei arba aukštesnei temperatūrai, mezofitiniai mikroorga-

nizmai žūsta ir juos pakeičia psichrofitiniai ir termofitiniai. Psichrofitų

optimalios ir palankios vystymosi sąlygos atitinkamai yra nuo 10 °C iki

16 °C ir nuo 2 °C iki 20 °C. Temperatūros įtaka medieną ardančių

pelėsinių grybų vystymuisi pateikta 7 paveiksle.

7 pav. Aplinkos temperatūros įtaka pelėsinių grybų gyvybingumui

sumedėjusios biomasės sampile [5]

Vabzdžių, erkių ir kitų nariuotakojų, dėl kurių veiklos patiriami

nemenki biomasės nuostoliai, vystymuisi drėgnis neturi didelės reikš-

mės. Daugeliui nariuotakojų kenkėjų minimaliems poreikiams patenkin-

ti pakanka orasausėje žaliavoje esančio drėgmės kiekio. Šiek tiek reikles-

nės drėgmei yra erkės. 13…14 drėgnio grūduose, priešingai nei vabz-

džiai, erkės jau nesimaitina ir nesidaugina.

Nariuotakojų kenkėjų fiziologinis aktyvumas labai priklauso nuo

aplinkos temperatūros. Jie išlieka gyvybingi, kai aplinkos temperatūra

kinta nuo 5 °C iki 41 °C, o optimaliomis vystymuisi sąlygomis nurodo-

ma 21…33 °C temperatūra ir 50…70 % santykinis oro drėgnumas

(8 pav.). Žemesnėje kaip 10…13 °C temperatūroje vabzdžiai nustoja

maitintis, vystytis ir dėti kiaušinėlius. Erkės šiek tiek atsparesnės že-

moms temperatūroms ir neveikliomis tampa tik 5 °C temperatūroje.

Patekę į artimą 0 °C ir žemesnės arba 45 °C ir aukštesnės temperatūros

aplinką, nariuotakojai kenkėjai sustirsta, o esant ilgesniam poveikiui

paprastai žūsta.

31

8 pav. Aplinkos temperatūros įtaka vabzdžių gyvybingumui sandėliuojamos

augalinės biomasės sampile. Pastaba: raudona spalva žymimos optimalios

vabzdžių vystymuisi sąlygos [15]

Augalinė žaliava (produktai), nariuotakojai kenkėjai, mikroorga-

nizmai ir kitos sudėtinės sampilo dalys suformuoja bendrą sandėliuoja-

mos augalinės biomasės biologinį aktyvumą. Tai lemia patiriamus masės

nuostolius, savaiminio kaitimo galimybes ir saugaus laikymo trukmę.

Priklausomai nuo biomasės rūšies ir laikymo sąlygų, svarbiausias šilumos

šaltinis gali būti pati biomasė, pavyzdžiui, topinambų, bulvių sampile,

arba dažniausiai mikroorganizmai, pavyzdžiui, grūdų sampile, nors pas-

tarieji sudaro tik menką jo masės dalį.

Skirtingo drėgnio medienos pjaustinio biologinis aktyvumas yra

nevienodas (9 pav.). 25 °C temperatūros aplinkoje didžiausią,

747 W/(t·h), šilumos srautą išskiria 50 % drėgnio gluosninių žilvičių

kapotinis. Tačiau pjaustinio drėgniui sumažėjus iki 33 %, išskiriamas

šilumos srautas sumažėjimas iki 340 W/(t·h), tai yra 2,19 kartų, o 12 %

drėgnio kapotinis tapo visiškai biologiškai neaktyvus.

Laikomos augalinės biomasės biologinis aktyvumas priklauso

nuo tų pačių trijų veiksnių: drėgnio, temperatūros ir dujų sudėties.

Biomasei drėkstant, aktyvėja fermentai, kvėpavimo intensyvumas, mik-

roorganizmų veikla. Iš pradžių biologinis aktyvumas būna nedidelis,

tačiau atsiradus žaliavoje laisvojo vandens – pasiekus kritinį drėgnį, su-

intensyvėja. Žymus biologinio aktyvumo padidėjimas pastebimas, kai

0

10

20

30

40

50

straubliukas ryžinis

straubliukas

rudasis

tarakonas

miltinis

ugniukas

milčius

tem

per

atū

ra 0

C

32

kritinis drėgnis viršijamas 6…9 %. Tokio drėgnio biomasės aplinkoje

susiformuoja 90…95 % oro santykinis drėgnumas, labai palankios sąly-

gos mikrofloros vystymuisi.

9 pav. Gluosninių žilvyčių kapotinio biologinis aktyvumas,

esant 25 °C aplinkos temperatūrai

Nuo drėgnio priklauso

temperatūros įtaka. Kuo drėgnesnė

biomasė, tuo didesnis temperatūros

poveikis biologiniam aktyvumui ir

platesnis palankios temperatūros

intervalas kenkėjų bei mikroorga-

nizmų veiklai. Esminiai pakitimai,

pavyzdžiui, grūdų sampile, įvyksta

intervale nuo 0 °C iki 55 °C tem-

peratūros. Žemoje temperatūroje

(apie 0 °C ir žemiau) biologinis

aktyvumas nedidelis. Tačiau tem-

peratūrai pradėjus kilti, oksidacijos

proceso intensyvumas ir mikroor-

ganizmų bei kenkėjų gyvybingu-

mas iki 50…55 °C didėja ir pasiekia

maksimumą. Tuomet aukšta tem-

peratūra nutraukia augalų ir nariuotakojų kenkėjų bei mikroorganizmų

10 pav. Anglies dvideginio emisi-

jos iš kviečių sampilo kaita [11]

33

gyvybingumą ir bendras biomasės biologinis aktyvumas sulėtėja. Šiuos

procesus galima stebėti fiksuojant grūdų sampilo išskiriamo anglies dvi-

deginio kiekio kaitą (10 pav.), kuri atspindi vykstančių procesų intensy-

vumą.

Smulkintos medienos sampilo temperatūra dėl biologinių prie-

žasčių gali įkaisti iki aukštesnės, 75...80 °C temperatūros. Iš pradžių sa-

vaiminio kaitimo procesas siejamas išskirtinai tik su vis dar išlikusių gy-

vų medienos ląstelių gyvybingumu. Pasiekus 40 °C, jų kvėpavimo in-

tensyvumas sulėtėja. Tolesnis kaitimas vyksta dėl grybų ir bakterijų

veiklos. Pelėsiniai grybai dominuojantį poveikį išsaugo iki 60 °C. Po jų

didžiausiu aktyvumu išsiskiria termofilinės bakterijos, kurios, sampilui

įkaitus iki 70...80 °C, taip pat žūna. Aktyvi mikroorganizmų veikla le-

mia sumedėjusios biomasės kokybinius pokyčius: ji pamėlynuoja ir pa-

tamsėja.

Priešingai nei grūdų sampile, esant palankioms sąlygoms, smul-

kintos medienos sampilo savaiminio kaitimo procesas gali nesustoti, o

vykti toliau. Sumedėjusios biomasės temperatūrai viršijus 70 °C, prasi-

deda pirolizės ir cheminės oksidacijos procesai, dėl kurių sampilas kaista

toliau. Jei pasiekiama medžiagos užsiliepsnojimo temperatūra, medienos

kapotinis pradeda smilkti, o, suintensyvėjus oro cirkuliacijai ir patekus

didesniam deguonies kiekiui, gali užsiliepsnoti. Sumedėjusios smulkin-

tos biomasės savaiminio užsiliepsnojimo galimybės labai priklauso nuo

biomasės drėgnio. Pavojingiausia 25...45 % drėgnio kapotinis. Jei kapo-

tinis yra sausas (< 25 % drėgnio), tuomet sumedėjusios biomasės audi-

niai yra mažai gyvybingi, o mikroorganizmų veikla dėl vandens trūku-

mo prislopinta. Didesnio nei 45 % drėgnio sumedėjusios biomasės sam-

pilo savaiminis užsiliepsnojimas yra taip pat mažai tikėtinas, nes dalis

išsiskirusios šilumos sunaudojama drėgmės garinimui, o likusi jos dalis

dėl didelio drėgnos biomasės šiluminio laidumo lengvai išsisklaido sam-

pile arba nuvedama į aplinką.

Nevėdinamos arba prastai besiventiliuojančios biomasės sampilo

porose oro sudėtis keičiasi: deguonies mažėja ir kaupiasi anglies dioksi-

das. Sampile vykstantys aerobiniai procesai – gyvų organizmų kvėpavi-

mas, oksidacijos procesai ir kt., slopsta ir aktyvėja anaerobiniai procesai.

Pastarieji būdingi drėgnai ir šlapiai biomasei, pavyzdžiui, nedžiovintiems

drėgniems grūdams. Tuo metu sausų grūdų sampile (mažesnio kaip

34

14…15 % drėgnio) aerobiniai procesai vyksta labai retai, nes sausų grūdų

sampilo biologinis aktyvumas yra labai lėtas ir tarpgrūdinėje erdvėje

esančio deguonies jiems užtenka net keletui metų.

Vabzdžiams ir erkėms deguonis yra būtinas. Jie negali egzistuoti,

kai deguonies yra mažiau kaip 2 , todėl paprastai renkasi geriau vėdi-

namas biomasės sampilo vietas. Tuo metu mikroorganizmai deguonies

trūkumui atsparesni. Jie žūva arba tampa neveiklūs, kai aplinkoje yra ne

daugiau kaip 0,2 deguonies.

35

3. AUGALINĖS BIOMASĖS LAIKYMO

TECHNOLOGIJOS IR SANDĖLIAI

Augalinės biomasės laikymo technologijos reikalingos nenu-

trūkstamam technologinių procesų aprūpinimui žaliava, nes jos nuėmi-

mas dėl biologinių, meteorologinių, žaliavos fizinių savybių dažnai yra

susijęs su sezoniškumu. Be to, tai biologinės kilmės produktai, kurių

laikymas rizikingas. Nuimtą augalinės biomasės derlių būtina nedelsiant

vienu ar kitu būdu konservuoti ir suvaldyti biomasės sampile vykstan-

čius nepageidautinus procesus bei išsaugoti jos kokybę ir kiekybę.

Praktikoje naudojamos įvairios biomasės laikymo technologijos

ir sandėliai. Jų įvairovę lemia augalinės biomasės rūšių gausa. Kiekviena

iš laikymo technologijų ir sandėlių skiriasi galimybės valdyti mikrokli-

matą, biocheminius ir mikrobiologinius procesus, įrengtomis inžineri-

nėmis sistemomis.

Pagal paskirtį augalinės biomasės laikymo sandėliai skirstomi į

du tipus:

▬ trumpalaikio laikymo (buferiniai) sandėliai.

▬ ilgalaikio laikymo (baziniai) sandėliai.

3.1.Trumpalaikio laikymo sandėliai

Trumpalaikio laikymo arba buferiniai sandėliai skirti nedideliam

biomasės kiekiui laikyti prieš nukreipiant į technologinį procesą arba prieš

pakraunant į automobilius, laivus ar vagonus. Sandėlio talpa ir saugomas

žaliavos kiekis priklauso nuo technologinio proceso našumo ir jos prista-

tymo sąlygų bei dažnumo. Paprastai biomasė trumpalaikio laikymo sandė-

liuose laikoma iki 3...7 parų. Laikant ilgiau, labai sparčiai didėja biologinių

procesų intensyvumas. Manoma, kad biomasės laikymas iki 5...7 parų

neturi esminės įtakos jos kokybei, todėl nebūtina naudoti specialias prie-

mones jos konservavimui ir vykstančių procesų stabilizavimui.

Pagal konstrukciją trumpalaikio laikymo sandėliai skirstomi į du

tipus:

36

1. Atviro tipo sandėlis – atvira aikštelė su tvirtu pagrindu ir

elektriniu apšvietimu. Atsižvelgiant į sandėliuojamos biomasės rūšį, taip

pat gali būti įrengiama krovos, priešgaistrinė, filtrato surinkimo ir kitos

inžinerinės sistemos. Tai paprastos konstrukcijos ir mažai investicijų

reikalaujanti laikymo technologija, tačiau žaliava visiškai neapsaugota

nuo meteorologinių sąlygų. Ji yra veikiama kritulių, todėl sudėtinga

užtikrinti pastovaus drėgnio biomasės srautą į technologinį procesą;

2. Uždaro tipo sandėlis – stogu uždengta aikštelė su tvirtu pa-

grindu arba lengvų konstrukcijų uždengta talpa. Stogas apsaugo biomasę

nuo kritulių ir kitų nepalankių meteorologinių sąlygų. Sudaro palankes-

nes sąlygas dirbti, taip pat mechanizuoti krovos darbus. Pagal formą ir

talpą uždaro tipo trumpalaikio laikymo sandėliai skirstomi:

▬ cilindrinės formos – mažam biomasės kiekiui laikyti;

▬ stačiakampės formos arba konteineriai – mažam ir viduti-

niam biomasės kiekiui laikyti;

▬ A-formos sandėliai – vidutiniam ir dideliam biomasės kie-

kiui laikyti.

Trumpalaikio laikymo sandėliai, ypač uždaro tipo, dažniausiai

įrengiami su specialia biomasės pakrovimo ir iškrovimo sistema. Tai

skreperiniai, sraigtiniai, grandikliniai, pneumatiniai ir kitų tipų transpor-

teriai.

3.2. Ilgalaikio laikymo sandėliai

Ilgalaikio laikymo arba baziniai sandėliai naudojami dideliam

augalinės biomasės kiekiui laikyti. Jie skirti biomasės ištekliams tarp

derlių sukaupti ir išsaugoti. Todėl daugelyje jų būtinai įrengiamos inži-

nerinės (ventiliacijos) sistemos mikroklimato kontrolei ir sampile vyks-

tančių procesų valdymui.

Ilgalaikio laikymo sandėlių konstrukcija ir įrengimas pirmiausia

priklauso nuo paskirties: juose bus laikomi sausi ir sąlyginai gerai besi-

laikanti augalinė biomasė, pavyzdžiui, išdžiovinti grūdai, šiaudai, me-

dienos pjaustinys ir t. t., kuriuos svarbiausia apsaugoti nuo sudrėkimo,

ar drėgna ir dideliu biologiniu aktyvumu išsiskirianti biomasė, pavyz-

džiui, drėgni grūdai, topinambai, bulvės, cukriniai runkeliai ir t. t., ku-

riuos svarbu apsaugoti tiek nuo sudrėkimo, tiek nuo žemų temperatūrų.

37

Ilgalaikio laikymo augalinės biomasės sandėliai pagal konstrukci-

ją skirstomi į du tipus:

1. Laikinus sandėlius – kaupus;

2. Stacionarius sandėlius.

3.2.1. Laikini sandėliai – kaupai

Neturint arba neturint pakankamai stacionarių sandėlių, augali-

nės biomasė žaliava gali būti laikoma paprasčiausiai kaupuose specialiai

įrengtose aikštelėse. Apsaugai nuo kritulių ir šalčio kaupai dengiami

termoizoliacinėmis medžiagomis, kraunami į specialias polietilenines

„žarnas“, įrengiami po lengvų konstrukcijų stogu.

Laikini sandėliai greitai įrengiami, jiems nereikia daug lėšų ir sta-

tybinių medžiagų, o statant juos biomasės auginimo vietose, sumažėja

transportavimo išlaidos. Be to, neperkraudinėjama biožaliava yra apsau-

goma nuo mechaninių sužalojimų ir ilgiau išsilaiko. Kaupuose susidarantis

mikroklimatas būna ypač palankus šakniavaisiams, šakniagumbiams laiky-

ti. Jie mažiau praranda drėgmės ir lėčiau vysta. Taip pat jų sampile susi-

kaupia apie 0,8...3,2 % CO2 dujų, kurios stabdo kvėpavimą ir mikroorga-

nizmų veiklą. Tai sumažina produkcijos masės nuostolius. Tačiau darbai

mažai mechanizuoti, o kasmetinės išlaidos įrengimui yra didesnės už sta-

cionarių sandėlių remonto ir amortizacijos išlaidas. Be to, sunku pastebėti

gedimo židinius, palaikyti reikiamą mikroklimatą ir laikymo sėkmė dau-

giausia priklauso nuo meteorologinių sąlygų. Dėl šių priežasčių nepalan-

kiais metais masės nuostoliai gali labai padidėti. Ypač su dideliais sunku-

mais susiduriama, kai derlius į kaupus sukraunamas šlapias. Darbo sąnau-

dos kaupo įrengimui ir jo priežiūrai 1,5...2 kartus didesnės nei sandėliuo-

se. Kaupai užima daug vietos, uždengimui sunaudojama nemažai –

5...10 % sandėliuojamos produkcijos masės, papildomų medžiagų (šiaudų,

durpių ir kitos izoliacinės ir hidroizoliacinės medžiagos).

Parenkant kaupo vietą, atsižvelgiama į gruntinius vandenis, vy-

raujančius vėjus, padėtį pasaulio šalių atžvilgiu ir kelius. Geriausiai tam

tinka nuo šiaurinių vėjų apsaugota aukštesnė arba nuotaki vieta. Grunti-

nis vanduo turi būti ne aukščiau kaip 0,8...1 m, dirvožemis – priemolis,

priesmėlis arba smėlis, o sumedėjusios biomasės, polietileninių „žar-

nų“ su grūdais arba rauginta biomase – asfaltbeniu betonuota aikštelė.

38

Kai vienoje vietoje statoma daug kaupų, jie grupuojami poromis: tarp

kaupų poroje paliekamas 1,5...2 metrų pravažiavimas, o tarp porų – apie

4 metrų pravažiavimas jų priežiūrai.

Kaupo matmenys parenkami atsižvelgiant į biomasės rūšį ir pa-

skirtį bei klimato juostą. Kuo atšiauresnės sąlygos, tuo kaupai daromi

platesni. Mažesniuose kaupuose produkcija išsilaiko geriau, nes ji grei-

čiau atvėsta ir ten yra žemesnė temperatūra. Neribojamas yra tik kaupo

ilgis. Dažniausiai jis daromas 8...15 m ilgio, bet gali būti ir ilgesnis. Kuo

kaupas mažesnis, tuo daugiau suvartojama izoliacinių medžiagų, dides-

nės darbo jėgos sąnaudos ir užimamos didesnės aikštelės.

Kaupų dangą sudaro du arba trys izoliacinių medžiagų sluoksniai

(5 lentelė). Šiam tikslui naudojamos žemės, šiaudai, rečiau durpės, pju-

venos ir polimerinės medžiagos. Danga suformuojama taip, kad jos sto-

ris viršuje būtų 15...20 % mažesnis, nei ties pagrindu. Tokia danga ap-

saugo biomasę nuo kritulių ir šalčio. Ji specialiai formuojama per kelis

kartus, nuolat didinant dangos storį, kartu jos šiluminę varžą, kad pro-

duktai atvėstų. Jei biomasę svarbu apsaugoti tik nuo kritulių, pavyzdžiui,

grūdus, medienos pjaustinį, raugintą biomasę, naudojama polietileninė

danga arba specialios „žarnos“, rečiau įrengiamos stoginės.

5 lentelė. Kaupų dengimo būdai

Sluoksnio Nr.

Izoliacinė medžiaga

Izoliacinės me-džiagos storis m Pastabos

apačioje viršuje

dengiant dviem sluoksniais

I

II a

II b

šiaudai

žemės

žemės

0,40,5

0,10,2

0,5

0,30,35

0,10,2

0,350,4

dengiama iškart supylus produkciją

dengiama iškart supylus produkciją;

jei sausas oras, patį viršų galima

žemėmis neapkasti

užpilamas atvėsus produkcijai ir

prasidėjus šalčiams

dengiant trimis sluoksniais

I

II

III

žemės

šiaudai

žemės

0,15

0,30,4

0,20,25

0,1

0,20,25

0,20,25

apkasama iškart supylus produkciją

dengiama prasidėjus šalčiams

dengiama prasidėjus šalčiams

39

a) b)

Geresnei mikroklimato kontrolei ir intensyvesniam vėsimo pro-

cesui biologiškai aktyvios biomasės kaupe gali būti įrengiama ventiliaci-

ja. Ventiliacijos sistemą kaupuose sudaro oro tiekiamieji ir ištraukiamieji

ortakiai (11 pav.). Tiekiamasis ortakis įrengiamas kaupo dugne horizon-

taliai per visą ilgį, o jo galas išvedamas į lauką ir pakeliamas virš žemės.

Ištraukiamieji ortakiai statomi kas 5...10 m per visą kaupo ilgį viršuje,

iškišant juos 0,5 m į lauką ir uždengiant stogeliais.

11 pav. Natūraliai vėdinami kaupai augalinei biomasei laikyti:

a – tradicinis (paprastas) kaupas; b – skydinis kaupas; 1 – žemių sluoksnis;

2 – ištraukiamasis ortakis; 3 – termometras; 4 – šiaudai; 5 – augalinė biomasė;

6 – tiekiamasis ortakis; 7 – pirmasis žemių sluoksnis; 8 – rėmas; 9 – skydai [11]

Kaupuose taip pat gali būti naudojama priverstinė ventiliacija,

kai oras priverstinai pučiamas specialiai šiam tikslui pastatytu ventiliato-

riumi. Taip galima efektyviau pradžiovinti supiltą šlapią biomasę ir grei-

čiau ją atšaldyti iki optimalios temperatūros arba išdžiovinti, sumažinti

priklausomybę nuo meteorologinių sąlygų. Operatyvi mikroklimato

kontrolė laiku sumažina patiriamus masės nuostolius ir aikštelių plotus,

nes kaupai gali būti įrengiami didesni. Tačiau dažniausiai priverstinė

ventiliacija kaupuose laikomai augalinei biomasei gali būti naudojama

tik iki šalnų.

3.2.2. Stacionarūs sandėliai

Ilgalaikiam augalinės biomasės saugojimui patikimiausia naudoti

stacionarius sandėlius. Jie statomi įvairios konstrukcijos, kuri priklauso

nuo paskirties, sandėliuojamos biomasės, klimatinių sąlygų, biomasės

paruošimo laikymui technologijos ir kitų veiksnių.

40

Stacionarius sandėlius galima suskirstyti į tris tipus:

▬ bokštinius;

▬ aruodinius;

▬ bearuodžius:

ištisinius;

boksinius.

Priešingai nei kitų tipų stacionarūs sandėliai, bokštiniai sandėliai

skirti laikyti džiovintus augalinės biomasės produktus, kuriuos būtina

apsaugoti nuo kritulių ir kurie nebijo žemų temperatūrų. Tai dažniausiai

metalinės apskritos arba stačiakampės talpos. Bokštinius sandėlius nesu-

dėtinga ir sąlyginai pigu įrengti, jie talpūs, mechanizuoti krovos darbai.

Tačiau bokštiniai sandėliai skirti laikyti tik išdžiovintiems produktams.

Dėl storo sampilo sluoksnio, biomasės džiovinimas bokšte yra praktiškai

neįmanomas. Yra didelis kondensato susidarymo ir kaitimo židinių atsi-

radimo pavojus.

Aruodinėse saugyklose (12 pav.) aruodai dažniausiai išdėstomi

prie išorinių sienų, viduryje paliekant 4...6 m pločio taką krautuvams ir

transporto priemonėms įvažiuoti. Tokių sandėlių skirtinguose aruoduose

nesumaišant galima laikyti skirtingų rūšių biomasės produktus. Aruodi-

nių sandėlių trūkumai: neefektyviai išnaudojamas sandėlio tūris (aruodi-

nių sandėlių tūrio išnaudojimo koeficientas retai viršija 45 %), aruodams

pagaminti reikia daug medžiagos, didelės darbo sąnaudos jų įrengimui ir

priežiūrai. Pertvaros, kurios privalo būti sandarios, tarp aruodų trukdo

mechanizuoti krovos darbus.

12 pav. Aruodinio sandėlio principinė schema:

1 – ventiliatorius; 2 – pagrindinis ortakis ; 3 – šoniniai ortakiai; 4 – skirstomieji ortakiai; 5 – sklendė; 6 – technologinis koridorius; 7 – aruodai; 8 – rūšiavimo pa-

talpa; 9 – tambūras; 10 – oro sumaišymo vožtuvas [14]

41

Populiariausios yra bearuodžiai sandėliai, kuriuose augalinės

biomasės produktai laikomi palaidai sampile arba konteineriuose. Pagal

pastato išplanavimą ir inžinerinių sistemų įrengimą, bearuodiniai sandė-

liai skirstomi į ištisinius (13 pav.) ir boksinius. Lyginant su aruodiniais

sandėliais, bearuodžių sandėlių tūrio išnaudojimo koeficientas padidėja

apie 30 %, o darbo sąnaudos palaido laikymo sandėliuose apie 1,25 karto

mažesnės nei laikant aruoduose. Taip pat lengviau mechanizuoti sandė-

lio krovimo darbus, nes nėra vidinių pertvarų, kurios trukdo transporto

priemonių judėjimui. Tačiau ištisiniuose sandėliuose galime nesumaišant

laikyti tik vienos rūšies ir veislės produkciją. Jei sandėlyje yra viena labai

didelė laikymo patalpa, reikia daug tos pačios produkcijos. Ilgai trunka

krovimo darbai. Tai neleidžia produkcijos greitai atvėsinti ir pereiti prie

optimalaus laikymo režimo, o susidarius gedimo židiniams, sunku juos

likviduoti bei pasiekti.

13 pav. Bearuodžio ištisinio sandėlio principinė schema:

1 – sumaišymo vožtuvas; 2 – ventiliatorius; 3 – pagrindinis ortakis; 4 – skirstomieji

ortakiai; 5 – produkcija; 6 – ventiliatorinė; 7 – tambūras; 8 – sklendė; 9 – atbulinis

vožtuvas [14]

Boksinius sandėlius sudaro po bendru stogu įrengti keli ištisiniai

sandėliai, kurie suskirstyti į savarankiškas dalis – boksus. Kiekvienas

boksas yra visiškai atskirtas vienas nuo kito ir turi autonomines ventilia-

vimo ir mikroklimato kontrolės (jei šios sistemos įrengtos) sistemas. Tai

leidžia nesumaišant laikyti skirtingų rūšių augalinės biomasės produktus.

Trumpiau trunka vieno bokso krovimo darbai, todėl greičiau galima

produkciją atvėsinti ir pereiti prie optimalių laikymo sąlygų.

42

4. AUGALINĖS BIOMASĖS LAIKYMO IR PARUOŠIMO LAIKYMUI TECHNOLOGINIAI

PROCESAI

4.1. Džiovinimas

Džiovinimas yra vienas seniausių ir plačiausiai paplitusių augalinės

biomasės konservavimo būdų. Džiovinant iš žaliavos pašalinama dalis

vandens ir sausųjų medžiagų koncentracija padidinama tiek, kad bioche-

miniai ir mikrobiologiniai procesai sulėtėja arba visiškai sustoja. Tai bran-

gi technologinė operacija, reikalaujanti didelių energijos sąnaudų. Priklau-

somai nuo rūšies, biomasė džiovinama iki 8…25 drėgnio. Parenkamas

džiovinimo būdas ir režimai priklauso nuo produkto, jo pradinio drėgnio,

cheminės sudėties, audinių struktūros, paruošimo bei paskirties.

4.1.1. Džiovinimo metodai ir būdai

Džiovinimo esmė – drėgmės pernešimas nuo jos paviršiaus ar iš

džiovinamos medžiagos vidaus į dujinę aplinką arba ant kito kūno pavir-

šiaus. Visi džiovinimo būdai pirmiausia skirstomi į du metodus (14 pav.):

▬ džiovinimą, nekeičiant vandens agregatinio būvio;

▬ džiovinimą, keičiant vandens agregatinį būvį.

14 pav. Džiovinimo metodų ir būdų klasifikacija

43

Nekeičiant vandens agregatinio būvio, vanduo iš medžiagos pa-

šalinamas mechaniniu arba sorbciniu būdu. Sorbentai – lengvai nuo

džiovinamos medžiagos atskiriamos ir geromis higroskopinėmis savy-

bėmis pasižyminčios medžiagos, kurios sumaišytos su biomase, per tam

tikrą laiką perima iš jos dalį drėgmės ir sudrėkusios pašalinamos lauk.

Kaip sorbentas taip pat gali būti vartojama ta pati sausesnė medžiaga.

Tuomet po džiovinimo, kai drėgniai išsilygina, jos nereikia atskirti.

Sorbcinis džiovinimas trunka gana ilgai, todėl reikia didelių plotų. Jis

dažniausiai taikomas, kai būtinas lėtas vandens pašalinimas arba, esant

aukštai temperatūrai, džiovinama medžiaga gali netekti svarbių savybių.

Tačiau nekeisdami vandens agregatinio būvio, iš medžiagos galima paša-

linti tik dalį laisvojo vandens. Labiau išdžiovinti medžiagas pavyksta

pavertus vandenį garais. Čia energijos reikia ne tik hidrauliniam pasi-

priešinimui vandens molekulei judant nugalėti, bet taip pat ryšiui tarp

skeleto ir drėgmės nutraukti bei agregatiniam būviui pakeisti. Todėl

paprastai yra būtinas papildomos šilumos tiekimas. Dėl šios priežasties

džiovinimo, kai keičiamas vandens agregatinis būvis, metodo būdai

skirstomi pagal šilumos perdavimą džiovinamai medžiagai:

▬ konvekcinis džiovinimas – tai populiariausias ir dažniausiai

naudojamas džiovinimo būdas, kurio metu kiekvieno džiovinamo objek-

to pašildymui ir drėgmės išgarinimui reikiamą šilumą paskirsto ir kon-

vekcijos būdu perduoda aptekančios karštos dujos. Kaip džiovinimo

agentas naudojami degimo produktai, jų mišinys su oru arba aplinkos

(pašildytas arba nepašildytas) oras. Be to, konvekcinio džiovinimo metu

džioviklis yra ne vien tik šilumos nešėjas, bet kartu jis iš sampilo pašali-

na išgaravusią drėgmę;

▬ kondukcinis džiovinimas (vykdomas esant atmosferiniam

slėgiui arba vakuume) – drėgmei pašalinti iš medžiagos reikiama šiluma

perduodama nuo įkaitinto paviršiaus laidumu. Dėl dažnai pasitaikančio

prasto sluoksnio šilumos laidumo džiovinamos biomasės sluoksnis įkais-

ta netolygiai, Tai kenkia žaliavos kokybei, jos savybių vientisumui ir

džiūvimo intensyvumui, padidina energijos sąnaudas. Vakuumo aplinka

padidina džiovinimo intensyvumą ir tolygumą. Tačiau jam sukurti ir

palaikyti suvartojama daug energijos, o siekiant sukurti nenutrūkstamą

džiovinamos augalinės biomasės srautą, būtina sudėtingos konstrukcijos

džiovykla;

44

▬ sublimacinis džiovinimas (vykdomas esant atmosferiniam

slėgiui arba vakuume) – tai kieto kūno garavimas aplenkiant jo skystąją

būseną. Džiovinama esant vakuumui arba normaliam atmosferiniam

slėgiui. Pastaruoju atveju aplinkos temperatūra, kad susidarytų ledas,

privalo būti žemesnė nei 0 °C. Tačiau dėl mažo skirtumo tarp dalinio

vandens garų slėgio džiovinamo produkto paviršiuje pgr ir dalinio van-

dens garų slėgio aplinkoje papl drėgmė pasišalina labai lėtai. Aplinkos

slėgio sumažinimas padidina medžiagos džiūvimo greitį. Esminiai šilu-

mos ir masės mainų pakitimai įvyksta, kai aplinkos slėgis sumažinamas

žemiau 4,58 mm Hg stulpelio (611 Pa). Tuomet vandens virimo tempe-

ratūra nesiekia arba yra lygi 0 °C;

▬ termoradiacinis džiovinimas (vykdomas natūraliomis arba

dirbtinėmis sąlygomis) – nedidelius biomasės kiekius sėkmingai galima

išdžiovinti paskleidus lauke specialiai paruoštoje aikštelėje. Tai radiacinis

džiovinimas, kurio metu drėgmei iš medžiagos pašalinti naudojama sau-

lės spinduliuojama šiluma. Vidutiniškai per dieną be papildomų šilumos

šaltinių netenkama 3…4 % drėgmės. Be to, saulės spinduliai slopina

mikroorganizmų veiklą ir saugo žaliavos kokybę. Tačiau termoradiaci-

niam džiovinimui reikia didelių plotų, daug rankų darbo, palankių me-

teorologinių sąlygų. Pastarieji trūkumai nebūdingi dirbtiniam radiaci-

niam džiovinimui infraraudonaisiais spinduliais. Į biomasę su infrarau-

donaisiais spinduliais nukreipiamas didelio tankio šilumos srautas. Jis

gali net keliasdešimt kartų būti didesnis nei džiovinant konvekciniu bū-

du. Tačiau, esant natūraliam bei dirbtiniam radiaciniam džiovinimui,

šilumos srautas koncentruojasi sampilo paviršiuje. Tai gali pakenkti

biomasės kokybei ir sudrėkti apatiniai sampilo sluoksniai;

▬ džiovinimas aukšto dažnio srovių lauke – aukšto dažnio

elektriniame lauke esančio kūno molekulės poliarizuojasi ir ima virpėti.

Dalis energijos virsta šiluma. Susidarantis šilumos srautas priklauso nuo

įtampos, dažnio ir džiovinamų medžiagų dielektrinių savybių. Be to,

visas sampilas šyla tolygiai, o kaitimas prasideda nuo kūno vidinių

sluoksnių, ne nuo paviršiaus. Tai paspartina drėgmės migraciją iš vidinių

sluoksnių ir suintensyvina džiūvimo procesą, bet energijos sąnaudos

kilogramui vandens pašalinti yra daugiau kaip du kartus didesnės nei

konvekcinėse šiluminėse džiovyklose;

45

▬ kombinuotasis džiovinimas – praktikoje dažnai vienu metu

naudojami du arba daugiau džiovinimo būdų: konvekcinis kartu su

kondukciniu, radiaciniu ar aukšto dažnio srovių lauke; sublimacinis – su

radiaciniu ir kt. Tai kombinuotieji džiovinimo būdai. Pritaikant skirtin-

gų būdų privalumus, džiovinimas tampa ekonomiškesnis, lankstesnis ir

lengviau pritaikomas konkrečiu atveju.

4.1.2. Konvekcinis džiovinimo būdas

Lyginant su kitais džiovinimo būdais, konvekcinis džiovinimo

būdas yra nesudėtingas, efektyvus ir šiuo metu geriausiai techniškai iš-

spręstas. Tuo paaiškinama tokia didelė šiuo principu veikiančių džiovyk-

lų įvairovė. Visas jas galima klasifikuoti pagal įvairius požymius: mobi-

lumą, veikimo principą, naudojamą džiovinimo agentą, jo judėjimo

kryptį ir t. t.

Konvekcinio džiovinimo įrenginiuose labai svarbi technologinė

charakteristika yra biomasės sluoksnio būvis džiovinant. Jis lemia, kokia

medžiagos paviršiaus dalis kontaktuoja su džiovinimo agentu ir kokiu

intensyvumu tarp džiovinimo agento ir medžiagos vyksta šilumos ir ma-

sės mainai. Atsižvelgiant į džiovinamos biomasės sluoksnio būvį, išski-

riamas šie džiovinimo būdai:

▬ džiovinimas nejudančiame sluoksnyje;

▬ džiovinimas, kai biomasė slenka žemyn veikiama gravita-

cinės jėgos;

▬ džiovinimas kunkuliuojančiame sluoksnyje;

▬ džiovinimas vibrokunkuliuojančiame sluoksnyje;

▬ džiovinimas krentančiame sluoksnyje;

▬ džiovinimas esant skrajumo būklei.

Džiovinant nejudančiame sluoksnyje, mainuose aktyviai daly-

vaujantis medžiagos paviršiaus plotas yra pats mažiausias. Supiltame

sampile biomasė nejuda ir nesimaišo, todėl vyksta pasluoksninis džiūvi-

mas. Sausoji biomasė nenustoja kontaktavusi su džiovinimo agentu, kol

neišdžiūna visas supiltas sampilas. Tai riboja džiovinimo agento tempe-

ratūrą ir džiovinimo intensyvumą. Džiovinimo agento temperatūra ne-

gali viršyti leistinosios džiovinamo objekto įkaitimo temperatūros.

46

Kitais atvejais vienu ar kitu būdu biomasės sampilas priverčiamas

judėti bei maišytis: padidėja šilumos ir masės mainuose dalyvaujančio

medžiagos paviršiaus ploto dalis, išvengiama pasluoksnio džiūvimo ir

išdžiovintos biomasės perdžiovinimo. Be to, atsiranda galimybė panau-

doti aukštesnės temperatūros džiovinimo agentą. Tai padidina drėgmės

pašalinimo intensyvumą, bet apriboja agento ir džiovinimo objekto kon-

takto trukmę. Todėl džiovyklos, kuriose naudojamas labai aukštos tem-

peratūros agentas, komplektuojamos drauge su atsigulėjimo ir atšaldymo

kameromis.

Šiuo metu biriai biomasei, pavyzdžiui grūdams, džiovinti labiau-

siai paplitusios šachtinės džiovyklos. Jos gali būti stacionarios ir mobi-

lios, periodinio ir nenutrūkstamo veikimo, tiesiasrautės ir recirkuliaci-

nės. Tai paprastos konstrukcijos, patikimos ir patogios prižiūrėti džio-

vyklos. Jose biomasė džiovinama vertikalioje stačiakampėje džiovinimo

kameroje, vadinamoje šachta. Veikiama sunkio jėgos, drėgna biomasė iš

viršuje įrengto bunkerio slenka žemyn per džiovinimo kamerą, kur ją

apteka džiovinimo ir po to aušinimo agentas. Tam tikrais atvejais visa

džiovykla gali dirbti tik džiovinimo arba aušinimo režimu. Biomasė pro

džiovyklą perleidžiama per 15…60 minučių. Judėjimo greitis reguliuo-

jamas šachtos apačioje įrengtu išleidimo įrenginiu, užtikrinančiu nenu-

trūkstamą arba periodinį biomasės judėjimą.

Agentui tiekti ir nuvesti statmenai biomasės judėjimo krypčiai

per visą šachtos aukštį išdėstoma paskirstymo ir nuvedimo ortakių siste-

ma. Naudojami ortakiai gali būti trikampės arba penkiakampės formos

be dugno. Pastarieji labiau paplitę, nes esant tokiai pat šachtai ortakio

skerspjūvio plotas yra didesnis. Džiovinimo agento skirstymo ir nuve-

dimo ortakių skaičius dažniausiai yra vienodas ir parenkamas toks, kad

vidutinis agento greitis jame neviršytų 6 m/s.

Priklausomai nuo biomasės, jos pradinio drėgnio, paskirties ir

džiovinimo būdo (vienos pakopos ar kelių pakopų džiovinimas), skirtin-

gose šalyse rekomenduojama džiovinimo agento temperatūra nuo 35 °C

iki 160 °C. Kuo aukštesnė džiovinimo agento temperatūra, tuo džiovi-

nimas intensyvesnis. Tačiau tuomet yra pavojinga džiovinamą medžiagą

perkaitinti. Taip pat pavojinga pasirinkti per mažą biomasės persislinki-

mo šachtoje greitį. Priešingu atveju biomasė gali sušokti ir suformuoti

kaitimo židinius. Per vieną džiovinimo ciklą džiovinamos medžiagos

47

15 pav. Lyginamosios energijos sąnau-dos 1 kg vandens iš grūdų išgarinti: 1 – teorinės sąnaudos; 2 – džiovinant grūdus iki

15,5 %; 3 – džiovinant grūdus iki 14 % [15]

16 pav. Aktyviosios ventiliacijos aruo-dai biriai ir smulkiagabaliniai biomasės džiovinimui: 1 – ventiliatorius; 2 – orta-kis; 3 – perforuotas dugnas arba išleidžia-mųjų ortakių sistema; 4 – ventiliuojama

biomasė

drėgnį rekomenduojama sumažinti ne daugiau kaip 6 %, o kartais – dar

mažiau.

Energetiniu atžvilgiu

pranašesnis kitas konvekcinio

džiovinimo būdas – džiovini-

mas aktyviąja ventiliacija. Lygi-

namosios energijos sąnaudos 1

kg vandens iš biomasės pašalinti

– specifinė vandens garavimo

šiluma (15 pav.), yra mažesnė

nei šiluminėse džiovyklose. Be

to, tai universalus technologinis

procesas. Aktyvioji ventiliacija

gali būti naudojama įvairiai

biomasei, taip pat įvairiems

tikslams: profilaktiniam venti-

liavimui, atvėsinimui, atšaldy-

mui, savaiminio kaitimo židinių

likvidavimui.

Aktyviosios ventiliacijos

įrenginiai labai paprasti: aikštelė

arba talpa biomasei supilti, ven-

tiliatorius su oro šildytuvu ir

oro paskirstymo sistema. Bio-

masė dažniausiai džiovinama

specialiai įrengtuose aruoduose

(16 pav.) arba ventiliuojamuose

bunkeriuose, rečiau – aikštelėse.

Aktyviosios ventiliacijos

įrenginius stambiastiebei auga-

linei biomasei džiovinti sudaro

oro paskirstymo ortakis ir ardy-

nas (17 pav.). Ortakis nuo ven-

tiliatoriaus eina iki įrenginio

vidurio. Jo dalis nuo ventiliato-

riaus iki ardyno yra uždara, to-

48

limesnė orui pralaidi. Kanalo plotis visame ilgyje išlieka pastovus, aukš-

tis nuo ardyno pradžios mažėja ir įrenginio viduryje susilygina su ardyno

aukščiu. Ardynas nuo pagrindo pakeliamas 0,2...0,3 m ir abiejuose pusė-

se prisiglaudžia prie kanalo. Ardyno angų orui pradėti plotas įrengiamas

ne mažesnis už 0,5 ardyno ploto.

17 pav. Aktyviosios ventiliacijos įrenginys nesmulkintai stambiastiebei

biomasei džiovinti [15]

Paprastai augalinės biomasės džiovinimo įrenginiai daromi kvad-

ratiniai ar stačiakampiai su kraštinių santykiu 1:1,5. Sampilo pagrindo

plotas daromas didesnis už ardyno plotą. Optimalus atstumas tarp ardy-

no ir sampilo kraštų yra 0,4...0,5 sampilo aukščio. Maksimalus sampilo

aukštis priklauso nuo džiovinamos medžiagos drėgnio ir aerodinaminio

pasipriešinimo ir gali siekti 4...5 m. Įrenginys būtinai įrengiamas pasto-

gėje, apsaugojančioje džiovinamą biomasę nuo kritulių. Šoninės atitva-

ros nėra būtinos.

4.1.3. Džiovinimo proceso dinamika

Džiovinimas yra tipiškai nestacionarus procesas. Laike kinta me-

džiagos drėgnis, temperatūra, aplinkos oro temperatūra ir džiūvimo grei-

tis. Džiovinimo procesas vaizduojamas trimis kreivėmis: biomasės drėg-

nio priklausomybe nuo laiko s f1(), džiūvimo greičio ds/d f2(s)

ir biomasės temperatūros kitimo f3(s) kreivėmis. Šios priklauso-

mybės taip pat gali būti pateikiamos kaip laiko funkcija. 18 paveiksle

pateiktos grūdo – tipiško koloidinio kūno, džiūvimo proceso eigą vaiz-

duojančios kreivės.

49

18 pav. Koloidinių kūnų džiūvimo eiga: džiūvimo sf1(), džiūvimo greičio

ds/d f2() ir grūdų temperatūros f3() kitimo kreivės: I – pašildymo periodas; II – pastovaus džiūvimo greičio periodas; III – mažėjančio džiūvimo grei-

čio periodas; a – išorinės difuzijos įtakos masės mainams dominavimo zona; b – vidinės difuzijos įtakos masės mainams dominavimo zona; C, C’, C’’ – pirmas

kritinis taškas; D, D’, D’’ – antras kritinis taškas [22, 23]

Koloidinių kūnų su kapiliariniu-poringu skeletu, pavyzdžiui,

grūdų, pastarosiose kreivėse išskiriami trys pašildymo, pastovaus džiū-

vimo greičio ir mažėjančio džiūvimo greičio. Iš pradžių džiovinamai

medžiagai perduota šiluma daugiausia sunaudojama grūdų pašildymui. Ji

yra būtina ryšiui tarp medžiagos ir vandens nutraukti bei pastarojo gara-

vimui. Grūdų temperatūra kyla, kartu didėja ir džiūvimo greitis. Pasie-

kus šlapio termometro temperatūrą, prasideda antras periodas – pasto-

vaus džiūvimo greičio periodas. Jo metu drėgmė garuoja nuo grūdo pa-

viršiaus, kuris drėkinamas iš gilesnių sluoksnių kapiliarais besiskverbian-

čiu vandeniu. Išoriniai drėgmės mainai vyksta dėl garų dalinių slėgių

skirtumo aplinkos ore pap ir grūdo paviršiuje pgr. Pastarajam esant dides-

niam, pasireiškia džiovinamo objekto dehidratacija. Garavimo intensy-

vumas proporcingas sukuriamam dalinių slėgių skirtumui ir gali būti

įvertintas Dalton‘o lygtimi:

Bppq aplgrm

3,101)( . , (25)

50

čia: qm – drėgmės srauto tankis, kg/(m2 . h);

– paviršiaus vandens garų pernešimo koeficientas pagal dalinį

vandens garų slėgį, kg/(h.m2.Pa);

pgr – dalinis vandens garų slėgis grūdo viduje ir paviršiuje, Pa;

papl. – dalinis vandens garų slėgis aplinkos ore, Pa;

B – barometrinis slėgis, kPa.

Prasidėjus džiūvimui, sukauptas drėgmės kiekis skirtingose

sluoksniuose tampa nevienodas. Atsiradęs drėgmės gradientas verčia

vandenį migruoti iš drėgnesnio jo centro link paviršiaus. Neizoterminis

džiovinimo proceso pobūdis sudaro sąlygas džiovinamoje medžiagoje

susidaryti temperatūriniam gradientui, kuris taip pat perneša dalį drėg-

mės. Termogradientinis koeficientas charakterizuoja pastarojo proceso

intensyvumą. Tačiau priešingai nei drėgmės gradientas, temperatūrinis

gradientas, esant konvekciniam džiovinimui, nukreiptas į vidų. Ta pačia

kryptimi medžiagos viduje jis verčia migruoti vandenį. Tai stabdo vidinę

dėgmės difuziją – drėgmės migraciją iš vidinių sluoksnių į išorę.

Kuria kryptimi džiovinamoje medžiagoje vyks masės mainai, nu-

lems tai, ar drėgmė migruos sparčiau dėl drėgmės ar temperatūros gra-

diento:

o

grmgrmmmm auaq 0; (26)

nn

uaq grmm 0

, (27)

čia: qm – drėgmės srauto tankis, kg/(m2. h);

m – džiovinamos medžiagos drėgmės laidumo koeficientas pa-

gal dalinį vandens garų slėgį, kg/(m.h.Pa);

m – drėgmės pernešimo potencialo gradientas, Pa/m;

am – drėgmės difuzijos koeficientas, m2/h;

0gr – sausų grūdų tankis, kg/m3;

u – drėgnio gradientas, kgH2O/(kgs.m.. m);

– termogradientinis koeficientas, kgH2O/(kgs.m.. K):

u ; (28)

– temperatūros gradientas, K/m.

51

Vanduo džiovinamoje medžiagoje pernešamas skysto būvio. Ga-

ravimo zonoje jis išgaruoja ir toliau migruoja kaip garai. Tačiau kūnų

drėgmės pralaidumo savybės prastesnės nei temperatūrinio laidumo.

Drėgmės nepakanka, kad garavimu kompensuoti perduodamą šilumos

kiekį, ypač esant intensyviam šilumos tiekimui. Todėl džiovinamas kū-

nas paprastai greitai įkaista, bet lėtai džiūsta. Lykov’o kriterijus, palygi-

nantis drėgmės ir temperatūros laidumus, pavyzdžiui, grūdams, yra labai

mažas:

01,0...0025,0a

aLu m , (29)

t. y. drėgmės lauko inertiškumas 100…400 kartų didesnis nei temperatū-

rinio lauko.

Esant intensyviam džiovinimui, garavimo zona medžiagoje gilyn

persislenka dar nespėjus pasišalinti drėgmei iš paviršinių sluoksnių. Van-

deniui virtus garais, padidėja jo užimamas tūris. Greta drėgmės ir tem-

peratūros gradientų atsiranda slėgio gradientas, dėl kurio taip pat vyksta

masės mainai. Tuomet bendras drėgmės srautas biomasėje:

pmm

umm qqqq

; (30)

pkauaq pomommmm

, (31)

čia: qmu – drėgmės srauto tankis grūdo viduje dėl drėgmės gradiento,

kg/(m2.h);

qm – drėgmės srauto tankis grūdo viduje dėl temperatūros gra-

diento, kg/(m2.h);

qmp – drėgmės srauto tankis grūdo viduje dėl slėgio gradiento,

kg/(m2.h);

kp – vandens garų pernešimo koeficientas, kg/(m.h.Pa);

p – slėgio gradientas, Pa/m.

Pirmiausia iš gilesnių džiovinamo kūno sluoksnių besiskverbian-

tis vanduo kompensuoja išgarintą drėgmę. Džiūvimo greitis ir biomasės

temperatūra laiko atžvilgiu antrame periode išlieka pastovūs, tačiau tai

charakteringa tokioms kapiliarinės-poringos struktūros medžiagoms kaip,

pavyzdžiui, keramika, popierius, bet, pavyzdžiui, grūdams, kurie turi ne-

vienalytę kapiliarinę-poringą struktūrą, trukdančią drėgmės difuzijai iš

52

vidinių sluoksnių, džiūvimo zona netrukus po džiovinimo pradžios prade-

da skverbtis gilyn ir jų temperatūra nors ir iš lėto, bet nuolat kyla.

Taip išgarinamas laisviausiai surištas vanduo. Likusiam kiekiui

pašalinti reikia vis daugiau pastangų, todėl lėtėja drėgmės migracija iš

vidinių sluoksnių ir grūdo paviršiuje drėgnis sumažėja iki higroskopinio.

Prasideda trečias periodas. Dabar vandens išgaruoja daugiau, nei jo atke-

liauja kapiliarais. Džiūvimo greitis pradeda lėtėti, o sumažėjus su išgarin-

ta drėgme nuvedamam šilumos kiekiui, kūno temperatūra sparčiai auga.

Pavyzdžiui, grūdams, šiame etape išskiriamas dar antras kritinis taškas,

žymintis vidinės drėgmės difuzijos įtakos džiovinimo procesui domina-

vimo pradžią prieš išorinės drėgmės difuzijos įtaką. Nuo šio momento

vandens migracija iš vidinių sluoksnių link garavimo paviršiaus sulėtėja

labai sparčiai. Proceso eigą praktiškai jau lemia ne išorinės sąlygos kaip

antrame periode, bet drėgmės pernešimo dėsningumai pačios medžiagos

viduje. Džiūvimo greitis asimptotiškai mažėja, grūdo temperatūra didėja,

o jos drėgnis iš lėto artėja prie lygsvarinio drėgnio.

Aktyvioji ventiliacija išsiskiria tuo, kad augalinė biomasė džiovi-

nama storame nejudančiame sluoksnyje. Džiūvimas prasideda su venti-

liavimo pradžia agento įėjimo vietoje (19 pav.). Skverbdamasis pro bio-

masės sluoksnį, oras palaipsniui atidrėksta. Susidaro taip vadinamoji

džiūvimo zona, kurioje oras praranda savo džiovinamąsias savybes ir

tolimesniame kelyje pro sluoksnį, jei negauna iš išorės papildomos šilu-

mos, negali daugiau perimti drėgmės. Džiūvimo zonoje susilyginus da-

liniams vandens garų slėgiams ore ir džiovinamos medžiagos paviršiuje,

tarp džiovinimo agento ir biomasės tam tikro sluoksnio nusistovi hig-

roskopinė pusiausvyra. Susiformuoja išdžiūvusios biomasės sluoksnis, o

džiūvimo zona palaipsniui persislenka į viršų, oro srauto judėjimo kryp-

timi, apimdama naujus drėgnos biomasės sluoksnius. Agentas, perėjęs

pro jau išdžiūvusį produkto sluoksnį, drėgmės neabsorbuoja ir neati-

drėksta. Jis perima drėgmę iš tolimesnių sluoksnių. Kai džiūvimo zona

pasiekia produkto sluoksnio paviršių oro išėjimo vietoje, ji pradeda siau-

rėti, kol išnyksta.

53

19 pav. Džiūvimo zonos judėjimas per džiovinamos biomasės, pavyzdžiui, grūdų, sluoksnį: a – džiovinimo pradžia; b – džiūvimo zonos susidarymas; c –

džiūvimo zonos persislinkimas; d – džiūvimo zonos išnykimas; 1 – išdžiūvę grūdai

( 14); 2 - džiūstantys grūdai; 3 – drėgni grūdai ( 22) [15]

Taip biomasės sampile susiformuoja trys zonos: išdžiūvusios,

džiūstančios ir drėgnos biomasės zonos. Pirmoje zonoje biomasės tem-

peratūra artima agento temperatūrai, o drėgnis – lygsvariniam drėgniui.

Pagrindinis džiovinimo procesas vyksta antroje zonoje. Visas džiovinimo

procesas aktyviąja ventiliacija susideda iš šios zonos atsiradimo, persi-

slinkimo ir išnykimo. Čia agentas atiduoda akumuliuotą šilumą, atšąla ir

prisisotina drėgmės, o sukaupta drėgmė kartu su oru pašalinama lauk.

Džiūvimo zonos aukštį nulemia biomasės fizinės-mechaninės savybės,

pradinė džiovinimo agento temperatūra ir drėgnis bei pučiamo agento

lyginamasis srautas. Kuo didesnis filtracijos greitis, tuo ji būna platesnė.

Esant oro greičiui 0,1…0,15 m/s zona siekia apie 0,5 m pločio. Trečioje

zonoje džiūvimas vyksta tiek, kiek šioje zonoje agentas gauna papildo-

mos šilumos. Šilumos ištekliai šiame sampilo sluoksnyje yra riboti, todėl

džiovinimas beveik nevyksta.

4.1.4. Ventiliacijos sistema ir jos darbas

Ventiliacijos sistemos konstrukcija gali būti labai įvairi. Joje iš-

skiriamos penkios dalys:

▬ oro tiekimo sistema, kurios paskirtis yra nukreipti oro srau-

tą į ventiliatorių arba ventiliuojamos biomasės sampilą ir sureguliuoti jo

parametrus, pavyzdžiui, temperatūrą, santykinį drėgnį. Sudaro difuzo-

54

riai, oro srautų sumaišymo vožtuvai, tiekimo ortakiai, šildytuvai, filtrai ir

t. t.;

▬ oro paskirstymo sistema, kuri privalo tolygiai paskirstyti oro

srautą ventiliuojamos biomasės sampile. Sudaro skirstomieji ir išleidžia-

mieji ortakiai, atbuliniai vožtuvai, sklendės ir t. t.;

▬ džiovinamos arba sandėliuojamos biomasės sampilas;

▬ oro išleidimo sistema, kurios paskirtis yra neleisti kauptis

metaboliniams produktams biomasės laikymo patalpoje ir per sampilą

pratekėjusi oro srautą nukreipti lauk. Sudaro išleidžiamieji ortakiai, at-

buliniai vožtuvai, filtrai, ištraukiamieji ventiliatoriai ir t. t.;

▬ ventiliacijos sistemos valdymo ir matavimo įranga.

Konkreti ventiliacijos sistemos konstrukcija priklauso nuo jos

paskirties. Apskritai tai yra nuosekliai arba lygiagrečiai sujungti ventilia-

cijos sistemos konstrukciniai elementai arba jų grupės. Nuosekliam jun-

gimui galioja masės tvarumo dėsnis – nevertinant patiriamų oro srauto

nuostolių (nutekėjimų), per pjūvį A-A pratekantis oro kiekis (20 pav.)

yra lygus per pjūvį B-B pratekančiam oro kiekiui:

,222111 FvFv (32)

čia: 1, 2 – oro tankis pjūvyje A-A ir pjūvyje B-B, kg/m3;

v1, v2 – oro srauto greitis pjūvyje A-A ir pjūvyje B-B, m/s;

F1, F2 – ortakio skerspjūvio plotas pjūvyje A-A ir pjūvyje B-B, m2.

20 pav. Nuoseklus ventiliaci-

jos sistemos elementų (atšakų)

jungimas: 1, 2, 3 – ventiliacijos

elementų ribos; 1-2 – pirmasis

elementas (atšaka); 2-3 – ant-

rasis elementas (atšaka); A-A – pirmojo ventiliacijos elemento skerspjūvio

pjūvis, kuriame oro tankis 1, oro srauto greitis v1, skerspjūvio plotas F1; B-

B – antrojo ventiliacijos elemento skerspjūvio pjūvis, kuriame oro tankis 2,

oro srauto greitis v2, skerspjūvio plotas F2

55

21 pav. Nuosekliai sujungtų ventiliacijos sistemos elementų (atšakų) aerodinaminių charakteristikų grafinis sumavimas: 1-2 –

pirmojo elemento (atšakos) aerodinaminė cha-rakteristika; 2-3 – antrojo elemento (atšakos)

aerodinaminė charakteristika; (1-3) – suminė

ventiliacijos sistemos charakteristika [19]

Principinė nuosekliai sujungtos ventiliacijos sistemos schema pa-

teikta 20 paveiksle. Pučiant ventiliatoriumi orą, pro abu ortakius (1-2 ir 2-

3) pratekės vienodas jo kiekis, tačiau slėgiai taškuose 1 ir 2 bus skirtingi.

Suminis slėgis, būtinas prapūsti oro srautui per ventiliacijos sistemą 1-3,

yra lygus slėgių arba patiriamų slėgio nuostolių atkartose 1-2 ir 2-3 sumai.

Taigi, nuoseklaus ventiliacijos sistemos elementų jungimo atveju:

;constL (33)

n

i

iipp1

)1( , (34)

čia: L – oro srautas, m3/h;

p – slėgio nuostoliai ventiliacijos sistemoje, Pa;

p(ii+1) – slėgio nuostoliai skirtinguose ventiliacijos sistemos ele-

mentuose, Pa.

Nustatant suminę ventiliacijos sistemos, sudarytos iš nuosekliai

sujungtų atšakų, aerodinaminę charakteristiką p=f(L) grafiškai, L-h ko-

ordinačių sistemoje sude-

damos atskirų ventiliacijos

sistemos elementų aerodi-

naminių charakteristikų

ordinates (21 pav.). Suminę

ventiliacijos sistemos cha-

rakteristiką paveiksle vaiz-

duoja kreivė (1+2).

Plačiau paplitęs ir

įvairesnis yra lygiagretus

ventiliacijos sistemos ele-

mentų jungimas. Šiuo atveju

dvi arba kelios atšakos išsiša-

koja viename taške A ir vėl

susijungia kitame taške B (22

pav. a). Tai uždara ventiliaci-

jos sistemos elementų (atša-

kų) jungimo sistema. Taip

pat naudojama atvira atšakų

jungimo sistema, kai oro

56

srautas išsišakoja viename taške A arba iš skirstomojo ortakio 1 į kelias

atšakas (2 ir 3) ir išteka į aplinką taškuose C ir D (22 pav. a ir b).

22 pav. Ventiliacijos sistemos elementų lygiagretus jungimas:

a – uždaras jungimas; b – atviras jungimas; c – atviras jungimas, naudojant skirs-

tomąjį ortakį; 1 – skirstomasis ortakis; 2 ir 3 – išleidžiamieji ortakiai [19]

Esant lygiagrečiam jungimui, ortakių išsišakojimo vietose oro

slėgiai yra vienodi, tačiau dėl skirtingų atšakų pasipriešinimų pro kiek-

vieną iš jų tekės skirtingi oro srautai:

;constp (35)

n

i

iiLL1

)1( , (36)

čia: p – slėgio nuostoliai ventiliacijos sistemoje, Pa;

L – oro srautas, m3/h;

L(ii+1) – oro srautai, pratekantys per skirtingus ventiliacijos sis-

temos elementus, m3/h.

Suminė ventiliacijos sistemos su lygiagrečiai sujungtomis atša-

komis charakteristika p=f(L) grafiškai nustatoma L-h koordinačių siste-

moje sumuojant atskirų ventiliacijos sistemos elementų aerodinaminių

charakteristikų abscises (23 pav.). Kreivė (1-2+1-3) vaizduoja suminę

ventiliacijos sistemos charakteristiką.

Atskiruose ventiliacijos sistemos konstrukciniuose elementuose

patiriami slėgio nuostoliai gali būti nustatyti pasinaudojant specialiais

žinynais, eksperimentiniu būdu arba apskaičiuojami. Naudojant pastarąjį

būdą, nepriklausomai nuo elemento tipo, slėgio nuostoliai skaičiuojami

pagal tą pačią formulę:

2

2

F

Lp

, (37)

57

čia: p – slėgio nuostoliai konkrečiame ventiliacijos sistemos konst-

rukciniame elemente, Pa;

– aerodinaminio pasipriešinimo koeficientas;

– oro tankis, kg/m3;

F – elemento, pro kurį teka oro srautas, skerspjūvio plotas, m2;

L – pratekantis oro srautas, m3/s.

a) b)

23 pav. Lygiagrečiai sujungtų ventiliacijos sistemos elementų (atšakų) aero-

dinaminių charakteristikų grafinis sumavimas: a – principinė ventiliacijos sis-

temos schema; b – aerodinaminių charakteristikų grafinis sumavimas; I – ventiliato-

rius; II – ventiliacijos sistemos elementai (atšakos); 1-2 – pirmojo elemento (atšakos)

aerodinaminė charakteristika; 1-3 – antrojo elemento (atšakos) aerodinaminė charak-

teristika; (1-2+1-3) – suminė ventiliacijos sistemos charakteristika [19]

Formulėje (37) nežinomas tik aerodinaminio pasipriešinimo koe-

ficientas . Kiti parametrai užsiduodami arba nulemiami konkrečiomis

geometrinėmis ventiliacijos sistemos elemento savybėmis. Aerodinami-

nio pasipriešinimo koeficientas yra santykis tarp prarasto pilno slėgio

elemente su dinaminiu slėgiu šiame elemente. Jo reikšmė priklauso nuo

ventiliacijos sistemos elemento formos, paviršiaus šiurkštumo, konstruk-

cinių ypatumų ir t. t. Todėl kiekvieno ventiliacijos sistemos elemento

aerodinaminio pasipriešinimo koeficientas yra savitas ir kaskart skaičiuo-

jant specialiai nustatomas. Jis yra skirstomas į kelio arba trinties tr bei

58

vietinius v aerodinaminio pasipriešinimo koeficientus, kurie apskaičiuo-

jami pagal specialias metodikas arba parenkami iš žinynų.

Atskirą ventiliacijos sistemos dalį sudaro biomasės sampilas.

Orui skverbiantis per biomasės sampilą, būtinas papildomas slėgis sam-

pilo sukuriamam aerodinaminiam pasipriešinimui nugalėti. Biomasės

sampilo aerodinaminis pasipriešinimas priklauso nuo biomasės rūšies,

užterštumo priemaišomis, oro greičio ir kitų veiksnių. Žinant pratekantį

per sampilą oro srautą arba filtracijos greitį, jis apskaičiuojamas pagal

formulę:

n

TLbm lF

LR

F

LRp

2

2

, (38)

čia: pbm – slėgio nuostoliai biomasės sampile, Pa;

RL ir RT – biomasės pasipriešinimas laminariniam ir turbulenci-

niam oro srautui, atitinkamai, (Pas)/m3 ir (Pas2)/m6;

F – ventiliuojamos biomasės sampilo skerspjūvio plotas, m2;

L – tiekiamo oro srautas, m3/s;

l – biomasės sampilo aukštis, m;

n – empirinis koeficientas, priklausantis nuo biomasės rūšies.

Nustačius visų ventiliacijos sistemos konstrukcinių elementų ae-

rodinaminio pasipriešinimo charakteristikas pi = f(Li) ir jas sudėjus pagal

lygiagretaus arba nuoseklaus jungimo taisykles, randama bendra visos

ventiliacijos sistemos charakteristika p = f(L). Analogiška funkcija p =

f(L) taip pat išreiškiamos ventiliatorių charakteristikos – pasiekiamo slė-

gio priklausomybė nuo tiekiamo oro srauto. Paprastai jos pateikiamos

tik grafikų pavidalu.

Tuomet ventiliacijos sistemos aerodinaminė charakteristika

p=f(L) ir ventiliatoriaus charakteristika pv=f(L) braižomos toje pačioje

koordinačių sistemoje L-p. Šių charakteristikų susikirtimo taško m koor-

dinatės (24 pav.) nurodo ventiliatoriaus, prijungto prie konkrečios venti-

liacijos sistemos, darbo režimą, t. y. pasiekiamą slėgį pd ir pučiamą oro

srautą Ld.

59

21 pav. Nuosekliai sujungtų ventiliacijos sistemos elementų (atšakų) aerodinaminių charakteristikų grafinis sumavimas: 1-2 – pirmojo elemento (atšakos) aerodinaminė cha-rakteristika; 2-3 – antrojo elemento (atšakos)

aerodinaminė charakteristika; (1-3) – suminė

ventiliacijos sistemos charakteristika [19]

Praktikoje dažnai

pasitaiko sudėtingesnės

ventiliatorių jungimo sch-

emos. Jose naudojamas ne

vienas, o keli ventiliatoriai,

kurie gali būti jungiami

nuosekliai arba lygiagre-

čiai, tiesiogiai arba su tar-

piniais ortakiais. Tuomet

ventiliatoriaus ir ventiliaci-

jos sistemos darbo režimas

nustatomas pagal specia-

lioje literatūroje pateiktas

metodikas.

4.2. Augalinės biomasės smulkinimas

Šakų, medienos atraižų, nuopjovų, žabų, greitai augančių

medžių bei krūmų, stambiastiebų augalų, pavyzdžiui, topinambų,

nendrių, kanapių, ir kitos sumedėjusios bei nesumedėjusios biomasės

smulkinimas padidina jos transportabilumą, panaudojimo bei

technologinių procesų automatizavimo galimybes. Ši biomasės

paruošimo laikymui, perdirbimui ir terminei konversijai technologija

plačiai pradėta naudoti daugiau kaip prieš 30 metų.

4.2.1. Smulkintuvai

Augalinė biomasė smulkinama savaeigiais, pakabinamaisiais ir

stacionariais diskiniais, būgniniais ir sraigtiniais smulkintuvais.

Diskinį smulkintuvą (25 pav.) sudaro besisukantis diskas su

radialiai pritvirtintais 2–16 peiliais ir stacionarus priešpeilis. Disko sūkių

dažnis – 300...2400 min-1. Diskiniai smulkintuvai yra paprastos konst-

60

rukcijos, sąlyginai pigūs ir nebrangūs eksploatuoti, o dėl fiksuoto pjovi-

mo kampo kapotinio frakcinė sudėtis yra vienodesnė nei naudojant kitus

smulkintuvus. Tai plačiausiai naudojamas smulkintuvų tipas.

25 pav. Diskinis biomasės smulkintuvas:

a – bendras vaizdas, b – pjovimo diskas, 1 – korpusas, 2 – diskas,

3 – peilis, 4 – biomasės bunkeris, 5 – biomasė, 6 – kapotinis [6]

Biomasė smulkinti į diskinį smulkintuvą tiekiama įstrižai arba

statmenai diskui rankomis arba naudojant manipuliatorių. Kapotinio storis

reguliuojamas keičiant disko sukimosi dažnį arba biomasės tiekimo greitį.

Taip kapotinio dydis gali būti keičiamas nuo 12 mm iki 35 mm. Diskiniai

smulkintuvai labiau skirti smulkinti sumedėjusę žolinę arba malkinę

medieną, t. y. apvalią medieną be šakų. Nepakankamai sumedėję ir

standūs augalai, pavyzdžiui, smulkūs medeliai ar krūmai, gali užkimšti

skiedrų išmetimo vamzdį, apsivynioti apie diską. Diskinio smulkintuvo

trūkumu taip pat galima paminėti: sąlyginai dideli pjovimo įrenginio

matmenys, maža biomasės tiekimo anga, jautrumas priemaišoms.

Būgniniai smulkintuvai (26 pav.) yra universalesni ir našesni. Jais

gali būti smulkinama įvairios rūšies, matmenų ir formų biomasė. Be to,

nesibaiminant, kad smulkintuvas užsikimš, tuo pačiu metu gali būti

smulkinama įvairi biomasė, pavyzdžiui, medžių stiebai, jų viršūnės ir

šakos, todėl puikiai tinka miško atliekų smulkinimui. Tačiau, lyginant su

diskiniu smulkintuvu, energijos sąnaudos smulkinimui yra nuo 50 % iki

75 % didesnės ir dėl nepastovaus pjovimo kampo kapotinio dalelių ilgiai

labai skirtingi.

61

27 pav. Sraigtinis biomasės

smulkintuvas [18]

26 pav. Būgninis biomasės smulkintuvas:

1 – bunkeris, 2 – biomasės tiekimo transporteris, 3 – viršutinis (biomasės

suspaudimo) būgnas, 4 – apatinis tiekimo būgnas, 5 – smulkinimo būgnas, 6 –

peilis, 7 – perforuotas pobūgnis, 8 – sraigė susmulkintai biomasei į ventiliatorių

tiekti, 9 – ventiliatorius, 10 – susmulkintos biomasės iškrovimo vamzdis

Būgninį smulkinimo aparatą sudaro 250...2000 mm skersmens

būgnas su pritvirtintais ištisiniais arba trumpais peiliais, stacionarus

priešpeilis ir perforuotas pobūgnis. Augalinę biomasę į smulkintuvą

statmenai būgno sukimosi ašiai tiekia grandiklinis transporteris arba

tiekimo-suspaudimo būgnai, o jos susmulkinimo laipsnis keičiamas

reguliuojant būgno sukimosi dažnį, biomasės tiekimo greitį arba

tarpelius pobūgnyje. Lyginant su kitais smulkintuvais, būgninis

smulkintuvas taip pat išsiskiria sąlyginai mažais smulkinimo aparato

matmenimis ir didelia biomasės tiekimo anga.

Sraigtinio smulkintuvo pa-

grindinė darbinė dalis – besisukantis

sraigtinis peilis, veikiantis kaip

sraigtinis tiekimo mechanizmas (27

pav.) su kieto lydinio ašmenimis. Jis

biomasę ne tik supjausto, bet taip

pat priverčia judėti per smulkintuvą.

Todėl smulkintuvas yra paprastos

konstrukcijos, nereikalingas papil-

domas tiekimo į smulkinimo aparatą

mechanizmas, nedidelis galios po-

reikis.

62

Sraigtiniu smulkintuvu pagamintos skiedros būna nevienodo dy-

džio ir stambesnės nei naudojant diskiniu ar būgniniu smulkintuvu.

Gaminamų skiedrų dydis priklauso nuo smulkintuvo darbinės dalies –

sraigto, kuris intensyviai dėvisi ir kuriam reikia dažno remonto.

Biomasės smulkinimas yra viena iš labiausiai paplitusių biomasės

paruošimo laikymui, perdirbimui arba terminei konversijai technologijų.

Tačiau naudojant kapotinį sunku užtikrinti žaliavos vienalytiškumą:

vienodą frakcinę sudėtį, drėgnį ir kokybę. Šie trūkumai nebūdingi

sutankintai biomasei – briketams ir granulėms. Įvertinus jos gamybos,

transportavimo, sandėliavimo ir technologinio proceso priežiūros išlaidas

bei saugumą, presuotą, pavyzdžiui, kietąjį biokurą naudoti yra 25 %

pigiau nei medienos kapotinį, 75 % pigiau nei akmens anglį ir 2 kartus

pigiau nei mazutą. Kietojo biokuro gamybai dažniausiai naudojama

mediena arba medienos ruošos ir perdirbimo pramonės atliekos. Tačiau

kaip žaliava taip pat gali būti naudojami šiaudai, durpės, žemės ūkio

produktų derliaus nuėmimo ir perdirbimo metu susidarančios atliekos,

specialiai auginami augalai ir kita biomasė.

4.2.2. Smulkinimo rodikliai

Medžiagos dalelės dydis smulkinimo metu kinta. Ji yra veikiama

išorinėmis jėgomis ir suardoma iki reikiamo dydžio. Pokytis įvertinamas

smulkinimo laipsniu, kuris skirstomas į linijinį arba tūrinį smulkinimo

laipsnį.

Linijinis medžiagos smulkinimo laipsnis:

,d

Di (39)

čia: i – linijinis medžiagos smulkinimo laipsnis;

D – vidutinis medžiagos dalelės skersmuo prieš smulkinimą, m;

d – vidutinis medžiagos dalelės skersmuo po smulkinimo, m.

Tūrinis medžiagos smulkinimo laipsnis:

,sm

VV

Vi (40)

čia: iV – tūrinis medžiagos smulkinimo laipsnis;

V – vidutinis medžiagos dalelės tūris prieš smulkinimą, m3;

Vsm – vidutinis medžiagos dalelės tūris po smulkinimo, m3.

63

Vidutinis medžiagos dalelės skersmuo smulkinimo metu apskai-

čiuojamas kaip ekvivalentinis skersmuo – skersmuo rutulio, kurio tūris

yra lygus nesmulkintos arba smulkintos dalelės tūriui. Ekvivalentinis

skersmuo apskaičiuojamas pagal formulę:

.23.1 3 Vde (41)

Tuomet tūrinis smulkinimo laipsnis:

;sm

VV

Vi

;

6

63

3

d

D

iV

;3

3

d

DiV

.3iiV (42)

Stambių ir sudėtingos formos gabalinių medžiagų matmenys pa-

prastai nustatomi matuojant jų plotį, ilgį ir aukštį. Tokios medžiagos

vidutinis skersmuo apskaičiuojamas pagal lygtį:

3 ,hlbD (43)

čia b, l, h – gabalinės medžiagos plotis, ilgis ir aukštis, m.

Smulkių medžiagų dalelių vidutinis skersmuo nustatomas sijo-

jant. Persijota pro skirtingų sietų rinkinį, medžiaga suskirstoma į skirtin-

go stambumo frakcijas. Kiekvienos frakcijos vidutinis dalelių dydis:

,2

21 ii

i

ddd

(44)

čia: di1 – sieto, pro kurį prabyrėjo matuojamoji frakcija i, skylučių

skersmuo, m;

di2 – sieto, ant kurio liko matuojamoji frakcija i, skylučių skers-

muo, m.

Viso ėminio, kuris buvo tiriamas sietiniu klasifikatoriumi, vidu-

tinis skersmuo:

64

28 pav. Hidraulinis biomasės bri-ketų gamybos presas: 1 – biomasės

(žaliavos) tiekimo sraigė, 2 – biomasės pirminio sutankinimo ir tiekimo į pre-

savimo kamerą presas, 3 – briketavimo presas, 4 – briketų formavimo kamera

(matrica), 5 – briketai [6]

,...

...

21

2211

n

nn

mmm

mdmdmdd

(45)

čia: m1, m2...mn – medžiagos skirtingų frakcijų kiekiai, kg;

n – frakcijų skaičius.

4.3. Augalinės biomasės sutankinimas

4.3.1. Briketuotuvai

Praktikoje biomasės sutankinimui naudojami įvairios konstrukci-

jos briketuotuvai. Pagal veikimo principą jie skirstomi į du tipus:

▬ nuolatinio sutankinimo;

▬ periodinio sutankinimo.

Dažniau briketuotuvai yra skirstomi pagal biomasės suspaudimo

technologiją:

▬ hidrauliniai;

▬ stūmokliniai;

▬ sraigtiniai.

Hidrauliniai presai gami-

nami įvairaus našumo ir gali būti

skirti tiek individualiai, tiek pra-

moninei briketų gamybai, t. y. tiek

mažo, tiek didelio našumo. Siū-

lomų presų našumas siekia nuo 50

iki 300 kg/h. Hidrauliniuose pre-

suose (28 pav.) žaliavos suspaudi-

mui naudojami hidrocilindrai.

Keičiant slėgį hidraulinėje siste-

moje, galima reguliuoti biomasės

suspaudimo jėgą briketavimo ka-

meroje. Hidrauliniuose presuose

labai nesudėtinga keisti briketavi-

mo režimus ir pritaikyti juos įvai-

65

29 pav. Mechaninis biomasės briketų gamybos presas:1 – biomasės (žaliavos) bunkeris, 2 – biomasės tiekimo į presavimo kamerą sraigė, 3 – presavimo stūmoklis, 4 – matrica, 5 – atvėsinimo

linija, 6 – briketai [5]

rios biomasės sutankinimui.

Mechaniniai presai (29

pav.) yra paprastesnės konst-

rukcijos, ilgaamžiškesni ir na-

šesni nei hidrauliniai presai.

Tai vidutinio ir didelio našumo

(2000 kg ir daugiau per valandą

perdirbamos žaliavos) briketa-

vimo įrenginiai, kurie dažniau-

siai naudojami pramoninėje

briketų gamyboje. Mechani-

niuose presuose biomasė su-

spaudžiančiam stūmokliui

slenkamąjį-grįžtamąjį judesį

suteikia skriejiko-slankiklio

mechanizmas. Šiais presais ga-

minamų briketų forma priklau-

so nuo naudojamos matricos,

pro kurią stūmoklis spaudžia biomasę. Matrica ne tik suformuoja brike-

tą, bet taip pat sukuria pasipriešinimą iš briketavimo kameros išstumia-

mai biomasei. Nuo šio pasipriešinimo priklauso, koks bus pasiekiamas

slėgis biomasės briketavimo kameroje.

Pastaruoju metu briketų gamybai dažnai naudojami sraigtiniai

presai. Priešingai nei hidrauliniuose ir stūmokliniuose presuose,

sraigtiniuose presuose biomasės sutankinimo procesas vyksta

nepertraukiamai. Juose pagaminti briketai yra didesnio tankio (1,1...1,2

t/m3). Be to, suformuojamas tankesnis briketo išorinis sluoksnis, kuris

padidina jo atsparumą, sumažina smulkiosios frakcijos kiekį ir

higroskopiškumą.

Sraigtiniai presai yra nesudėtingos konstrukcijos ir sąlyginai pigūs.

Pagrindinis jų trūkumas – dažnas sraigto remontas. Sraigtas yra

pagrindinė preso darbinė dalis, juo biomasė tuo pačiu metu stumiama į

priekį ir tankinama. Dėl aktyvaus kontakto su žaliava, sraigtas greitai

susidėvi, reikia dažno remonto: priklausomai nuo naudojamos biomasės,

jos susmulkinimo ir technologinių režimų, sraigtui remontas būtinas kas

5...50 tonų perdirbtos žaliavos.

66

4.3.2. Granuliatoriai

Granulių formavimas atliekamas granuliatoriuose arba kitaip va-

dinamuose – granulių gamybos presuose. Šiuose įrenginiuose susmul-

kinta biomasė ritinėliais perstumiama per matricos angas, 4…10 mm

skersmens skyles. Per jas išspaustos supresuotos biomasės lazdelės nu-

lūžta savaime arba nupjaunamos peiliu.

Dažniausiai naudojamos dvi principinės granuliavimo presų sch-

emos: su horizontalia arba vertikalia matrica (29 pav.). Horizontali mat-

ricos padėtis palengvina granuliavimo mechanizmo remontą ir žaliavos

tiekimą. Be to, 2…3 kartus mažesnis biomasę spaudžiančių ritinėlių ju-

dėjimo greitis. Todėl jie dirba tyliau, mažiau suvartoja galios, mažiau

dėvisi matrica ir dėl mažesnio ritinėlių praslydimo vyksta tolygesnis

biomasės spaudimas. Tačiau granulių formavimo sąlygos yra nevieno-

dos. Tolstant nuo matricos centro, ritinėlių riedėjimo greitis didėja. Kei-

čiasi pagamintų granulių kokybė ir matricos bei ritinėlių dėvėjimosi

greitis. Pastarųjų trūkumų neturi granuliatoriai su vertikalia matrica.

Būtent tokios konstrukcijos granuliatoriai šiuo metu yra dažniausiai ga-

minami. Jų granuliavimo mechanizmą sudaro žiedo formos vertikali

matrica ir 1…3 jos viduje besisukantys ritinėliai arba besisukanti žiedo

formos matrica ir 1…3 stacionarūs ritinėliai.

a b

29 pav. Granuliavimo presų principinės schemos:

a – su vertikalia matrica, b – su horizontalia matrica, 1 – ritinėlis, 2 – vertikali

matrica, 3 – horizontali matrica [6]

67

4.3.3. Sutankinimo proceso įvertinimas

Pagrindinis biomasės sutankinimo procesą apibūdinantis rodiklis

yra briketų ir granulių tankis. Priklausomai nuo žaliavos, pasirinkto pre-

savimo būdo, įrangos ir režimų, briketų ir granulių sampilo tankis padi-

dinamas iki 450…650 kg/m3, o jų tikrasis tankis – iki 900…1400 kg/m3.

Kuo biomasė stipriau spaudžiama, tuo suformuoto briketo arba granulės

tankis bus didesnis. Ryšys tarp biomasei suspausti naudojamo slėgio ir

suspaustos biomasės tankio gali būti išreikštas lygtimi:

KCp , (46)

čia: p – biomasės spaudimo slėgis, MPa;

– briketo arba granulės tankis, kg/m3;

C, K – koeficientai.

Spaudžiant biomasę, vyksta dalelių deformacijos procesas. Su-

mažėja tarp jų esančios laisvos erdvės dalis, kartu ir biomasės dalelių ir

oro tarpelių užimamas bendras tūris. To paties kiekio biomasės tūrio

pasikeitimas presavimo metu įvertinamas suspaudimo koeficientu (su-

spaudimo laipsniu):

SV

V0 , (47)

čia: – suspaudimo koeficientas;

V0 – biomasės užimamas tūris prieš suspaudimą, m3;

VS – briketo arba granulės tūris, m3.

Kadangi tūris yra lygus masės ir tankio santykiui, tai pastarąją

lygtį galima užrašyti taip:

00

0

S

S

S

M

M

, (48)

čia: M0 – biomasės masė prieš suspaudimą, kg;

0 – biomasės tankis prieš suspaudimą, kg/m3;

MS – briketo arba granulės masė, kg;

S – briketo arba granulės tankis, kg/m3.

68

Jei biomasė presuojama pastovaus skerspjūvio ploto kameroje,

tuomet suspaudimo koeficientas bus lygus:

SSh

h

hr

hr 0

2

0

2

, (49)

čia: r – biomasės presavimo kameros skersmuo, m;

h0 – biomasės sluoksnio aukštis presavimo kameroje prieš su-

spaudimą, m;

hS – briketo arba granulės aukštis, m.

Briketų ir granulių gamybos metu taip pat vyksta plastinė bio-

masės dalelių deformacija. Todėl biomasę nustojus spausti ir briketus bei

granules išėmus iš presavimo kameros, jų tūris padidėja. Šis procesas

įvertinamas plastinio išsiplėtimo koeficientu:

s

ss

ph

h

V

Vk , (50)

čia V, h, – briketo arba granulės tūris, aukštis ir tankis po plastinio

išsiplėtimo proceso, m3, m, kg/m3.

Didžiausias presuojant suformuotos biomasės briketo arba gra-

nulės plėtimasis po suspaudimo fiksuojamas kryptimi, priešinga spaudi-

mo krypčiai. Naudojant uždaras presavimo kameras ir vienkartinį bio-

masės suspaudimą, briketo arba granulės tūris gali padidėti iki 2–2,5

karto. Plastinio išsiplėtimo koeficientas sumažėja slegiant biomasę ilgiau

arba veikiant ją pakartotinėmis apkrovomis. Todėl briketų ir granulių

formavimui naudojant matricas, išsiplėtimo koeficiento reikšmė sumažė-

ja iki 1,1…1,25.

69

LITERATŪRA

1. Balandis A., Kantautas A. ir kt. Chemijos inžinerija. Kaunas:

Technologija, 2006 – I tomas. 473 p.

2. Balandis A., Leskauskas B. ir kt. Chemijos inžinerija. Kaunas:

Technologija, 2007 – II tomas. 533 p.

3. Budrys R., Liužinas R. ir kt. Skystos atliekos ir nuotekos žemės

ūkyje: tvarkymo techniniai sprendimai. Vilnius: Apyaušris, 2005.

104 p.

4. Dzenajavičienė E. F., Pedišius N., Škėma R. Darni bioenergetika.

Kaunas: LEI, 2011. 136 p.

5. Hartmann H., Reisinger K. u.a. Handbuch: Bioenergie – Kleinan-

lagen. Rostock: Stadtdruckerei Weidner, 2007. 224 S.

6. Jasinskas A., Zvicevičius E. Biomasės gamybos inžinerija. Kaunas:

IDP Solutions, 2008. 101 p.

7. Juodis E. Vėdinimas. Vilnius: Enciklopedija, 1998. 352 p.

8. Kajalavičius A. Medienos hidroterminis apdirbimas ir konservavi-

mas. Vilnius: Mokslo ir enciklopedijų leidykla, 1992. 323 p.

9. Kaltschmitt M., Hartmann H. Energie aus biomasse. Berlin, Hei-

delberg, New York, Barselona, Hongkong, London, Mailand, Paris,

Tokio: Springer, 2000, P. 505.

10. Kitani J. O., Jungbluth Th., Peart R.M., Ramdani A. Energy and

biomass engineering. CIGR handbook of agricultural engineering.

St. Joseph, MI: American Society of Agricultural Engineers, Volu-

me V, 1999, P. 330.

11. Kuzmienė G. ir kt. Augalininkystės produktų laikymas ir perdirbi-

mas. Vilnius: Mokslas, 1991. 381 p.

12. Maker T. M. Heating Systems: A Guide for Institutional and

Commercial Biomass Installations. Vermont: Biomass Energy

Resource Center, 2004. P. 91.

13. Mieldažys R., Paulauskas V., Vilkevičius G. Neorganinių atliekų

tvarkymas: mokomoji knyga. Kaunas: Akademija, 2012. 150 p.

14. Novošinskas H., Raila A., Steponaitis V. Augalininkystės produktų

laikymo technologijos, sandėliai ir įrengimai. Kaunas: Akademija,

1999. 59 p.

70

15. Petruševičius V., Raila A. Augalininkystės produktų džiovinimas

storame nejudančiame sluoksnyje: monografija. Kaunas: Akademija,

2009. 262 p.

16. Raila A., Navickas K. ir kt. Biomasės inžinerija. Kaunas: Akademija,

2008 – I tomas. 220 p.

17. Raila A., Navickas K. ir kt. Biomasės inžinerija. Kaunas: Akademija,

2008 – II tomas. 284 p.

18. Vares V., Kask Ü., Muiste P., Pihu T., Soosaar S. Biokuro naudo-

tojo žinynas. – Iš anglų kalbos vertė V. Vrubliauskienė. Vilnius:

Žara, 2007. 168 p.

19. Vilimas V., Martinkus M. Mikroklimato formavimas augalininkys-

tės produktų sandėliuose. Kaunas: Akademija, 2006. 98 p.

20. Биотопливо и сельское хозяйство – технический обзор [Prieiga

per internetą: ftp://ftp.fao.org/docrep/fao/011/.../i0100r02.pdf>.

21. Васильев С. Б., Патякин В. И., Шегельман И. Р. Производство

щепы на предприятиях лесного коплекса. Петрозаводск: Петр-

ГУ, 1998. 100 с.

22. Житко В.И.и др. Зерносушение и зерносушилки. Москва:

Колос, 1982. 239 с.

23. Лыков А.В. Теория сушки. Москва: Энергия, 1968. 472 с.

24. Руководящие указания по хранению и обработке твердого

биотоплева. Oslo: Nordic Innovation Centre, 2009. 20 c.

71

SL 399. 2013.04.23. Autor. l. 2,7. Užsakymo Nr. 11. Leido ASU Leidybos

centras – 2013. Studentų g. 11, Akademija, Kauno r.