Zvyšování účinnosti recyklace odpadů a surovin

Drcení a mletí patří mezi klíčové operace zpracovatelského průmyslu. Různé typy drtičů a mlýnů nalezneme např. v těžebním průmyslu při zpracování hornin a výrobě cementu, v chemickém průmyslu (mletí solí, práškových směsí a pigmentů), v potravinářském průmyslu (mouka, káva, čokoláda, koření, masné výrobky), ve farmaceutickém průmyslu (mletí celulózy a jiných farmaceutických hmot např. pro výrobu zubních náhrad) nebo v energetice při přípravě tradičních paliv (uhelný prach, dřevní štěpka, peletky).

Současné technologie energetické a materiálově-energetické recyklace odpadů (komunální odpad, odpady z těžebního a dřevozpracujícího průmyslu, odpady ze zemědělství a potravinářství, elektroodpad, dopravní prostředky, stavební sutě) rovněž využívají technologii drcení a mletí jako nástroj pro zmenšení velikosti částic.

A proč vlastně mlýny nalezneme v tak širokém spektru průmyslových aplikací? Cílem mechanického rozpojování suroviny je zmenšení velikosti částic řádově na jednotky milimetrů a méně. Zmenšením velikosti částic dochází k nárůstu specifického povrchu, což se kladně projeví na zvýšení účinnosti následných procesů – usnadní se transport, rozdružování a třídění směsných surovin, zlepší se čerpatelnost a míchatelnost suroviny, zvýší se biologická rozložitelnost, zintenzivní se chemická reakce, zkrátí se doba výdrže v reaktorech a bioreaktorech.

Při projektování drtičů a mlýnů velmi často slýcháváme následující otázky: Jaký typ mlýnu zvolit pro mechanické rozpojení dané suroviny? Jak geometrická konfigurace a provozní podmínky ovlivní jakost suroviny? Kolik energie je potřeba pro rozpojení suroviny z počáteční a požadovanou velikost?
Identifikace vhodné dezintegrační jednotky a její provozní konfigurace je naprosto klíčová z hlediska efektivity následného zpracování. Současné trendy v oblastech projektování udržitelných a energeticky efektivních technologií vyžadují účinná a intenzívní řešení, která zaručí kontinuitu toku materiálu, rozumnou energetickou náročnost při dané kapacitě zpracování, jednoduchou údržbu a šetrnost vůči životnímu prostředí.

Tým Ústavu procesní a zpracovatelské techniky Fakulty strojní ČVUT se v rámci svých vědecko-výzkumných aktivit dlouhodobě věnuje problematice mletí různých surovin. Tradiční oblastí je mletí biomasy s lignocelulózovým základem, ať už vlhké či suché. Sláma, dřevní štěpky, senáž nebo odpady z údržby komunální zeleně v přirozeném stavu patří mezi tradiční lignocelulózovou biomasu, která se používá jako surovina při výrobě pokročilých biopaliv (bioplyn, biometan, bioetanol) nebo cenných látek (celulózová vlákna, sacharidy, organické kyseliny).

A jak tedy predikovat velikost částic po mletí a energetickou náročnost rozpojení těchto odpadů? Tým vytvořil originální matematické modely pro rozpojování biomasy nožovým mlýnem, které umožňují predikovat charakteristickou velikost částic a energetickou náročnost rozpojení v závislosti na procesních podmínkách, tj. průtok biomasy, vlhkost  a mechanické vlastnosti biomasy, velikost propadového síta, střižná délka ostří a obvodová rychlost rotoru. Podobné aplikace lze nalézt i v případě zpracování alternativních potravin nebo při zpracování vedlejších živočišných produktů.

Tým se také věnoval návrhu mlýnu na výrobu cvrččí mouky suchou metodou. Výzkumným úkolem bylo kvantifikovat, zda vůbec a případně za jakých podmínek lze použít nožový, ultraodstředivý nebo kulový mlýn pro rozemletí sušených cvrčků na prášek s velikostí částic do 1 mm. A co takhle mletí kostí? Jejich částečky jsou nedílnou součástí masokostní moučky, která může být přísadou pro výrobu krmných pelet. Jakostní požadavek zní, že surovina musí mít velikosti částic pod 1 mm. Tým se proto věnoval výzkumu vhodného provozního nastavení ultraodstředivého mlýnu s cílem dosáhnout potřebné jakosti masokostní moučky. Nejen zmenšování velikosti částic, ale i rozvláknění matrice je častým požadavkem průmyslu. V současné době roste zájem o materiálově-chemickou recyklaci odpadního textilu, kdy výstupním produktem je recyklované viskózové vlákno. Cílem mletí je proto nejenom zmenšení velikosti látky, ale zároveň její rozvláknění, vytvoření jakési cupaniny. Tým v tomto případě navrhl a odzkoušel originální geometrickou konfiguraci a provozní nastavení systému rotor-stator v nožovém drtiči.

A k čemu jsou vlastně veškeré experimenty dobré? Takovéto laboratorní testy jsou nám, strojním inženýrům, cennou databankou informací sloužící jako zdroj dat, který lze využít k návrhu energeticky efektivních inovativních drtičů a mlýnů v průmyslovém měřítku.

Tento výzkum vznikl na infrastruktuře a znalostech získaných z finanční podpory projektu OP VVV č. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000753 „Centrum výzkumu nízkouhlíkových energetických technologií“.

Kontakt:

doc. Ing. Lukáš Krátký, Ph.D.; Lukas.Kratky@fs.cvut.cz
Ústav procesní a zpracovatelské techniky Fakulty strojní ČVUT v Praze