Az anyagok őrlése számos iparágban alkalmazott technológiai folyamat az ásványi anyagok feldolgozásától kezdve a gyógyszeriparon, a vegyiparon, az építőiparon és az élelmiszeriparon át a hulladékfeldolgozásig, amelynek elsődleges célja a fajlagos felület növelése melletti szemcseméret-csökkentés és a fizikai feltárás. Az őrlési folyamatokat számos kutatási tanulmány jellemzi különböző modellezési módszereken keresztül, azonban nem áll rendelkezésre olyan módszer, amely a fajlagos őrlési energia és az őrlemény életciklusa között írna fel összefüggést, javítva ezáltal az őrlőrendszerek energetikai és környezeti hatékonyságát.
Mind száraz, mind nedves őrlési folyamatokra kidolgozható egy olyan értékelési modell, ami az energiahatékonyság és a környezeti terhelés szemszögéből vizsgálja meg az őrléstechnikai rendszereket. Erre a kétszempontos értékelésre alapvetően hatékonyan alkalmazható az életciklus-értékelés (Life Cycle Assessment, LCA) módszere. Az LCA módszerén alapuló innovatív fejlesztések során az őrlési technológiák értékelési modelljei egyértelműen jelezhetik azokat a mérnöki megoldásokat, amelyek a fenntartható fejlődés feltételeinek is eleget tesznek azáltal, hogy egy nagyobb energiahatékonyság mellett kisebb a fellépő környezeti terhelés. Az őrlési folyamatok termékeinek teljes életciklusát három életciklus-szakasszal (gyártás, használat és életciklus-vége) jellemezhetjük, amelynek során maga az őrlési folyamat vagy a gyártási szakaszban, vagy a hulladékká válás szakaszában, vagy pedig mindkét életciklus-szakaszban megjelenik. Amíg a technológiai fejlesztések során elsősorban a gyártási szakaszt vesszük figyelembe (különös tekintettel a nyersanyagok életciklusára), addig a fizikai-mechanikai hulladékkezelési eljárásokat illetően, a hulladékká válás szakasza kerül előtérbe azáltal, hogy itt az eljárások megfelelő kiválasztására helyezzük a hangsúlyt. Gondoljunk csak a hulladékfémek, a műanyag hulladékok vagy a gumiabroncs aprítására és őrlésére!
Ma már számos kutatási eredmény áll rendelkezésünkre az őrlési folyamatok modellezésére vonatkozóan, sokszor szembeállítva a nedves és szárazőrlés eredményeit. Nem találkoztam azonban olyan szakirodalommal, ami a fajlagos őrlési energia és az őrlemény életciklusa között állítana összefüggéseket, javítva ezáltal az őrlési technológiák energetikai és környezeti hatékonyságát.
Ebben a kutatómunkában első lépésben az őrlési folyamatra vonatkozó energiamodellek és életciklus-értékelési modellek integrálásának teljes módszertanát dolgoztam ki. Az energiamodellek felállítását laboratóriumi száraz és nedves őrlési vizsgálatok előzték meg több vizsgált anyagra vonatkozóan, amelyek kapcsán az őrlési paraméterek (Bond-munkaindex, Hardgrove-index, Hardgrove-indexből számított Bond-munkaindex, fajlagos őrlési munka) mellett, empirikusan leírtam az őrlemények viselkedését (becsült szemcseméret-eloszlási függvény, eloszlási kitevők változása az őrlési idő függvényében, termék medián és maximális szemcsemérete) laboratóriumi őrlőmalmokban, dimenzióanalízissel meghatároztam az energiafelhasználás értékeit, majd matematikailag felírtam az őrlési finomság–őrlési idő és őrlési finomság–fajlagos őrlési munka közötti kapcsolatokat. Az életciklus-értékelési modelleket kizárólag nedves őrlési folyamatra állítottam fel szoftveres elemzéssel, ahol az őrlés környezeti hatásainak kiértékelésére hosszabb időt fordítottam. A funkcionális egységet mindig 1 kg output termékként határoztam meg. A konzisztens életciklus-leltárelemzés magában foglalta és számszerűsítette a vizsgált nedves őrlési folyamat input-output anyagáramlását és energiaellátását. A vizsgált őrlőrendszerek modellezéséhez termékspecifikus bemeneti információkat használtam és magyarországi energiamixet állítottam fel. A vizsgált LCA-modelleket bölcsőtől kapuig állítottam fel, ami magában foglalta a nyersanyag kitermelését, a laboratóriumi nedves őrlési folyamatot gyártási szakaszként, a keletkezett szennyvíz kezelését és az őrlemény szállítását. Példaképpen az 1. ábra egy ilyen LCA-modellt mutat be mészkő nedves őrlésére.
- ábra.Életciklus-értékelési modell mészkő nedves őrlésére. (forrás: Mannheim, V. and Kruszelnicka, W. Energy-Model and Life Cycle-ModelforGrindingProcesses of Limestone Products.Energies 2022, 15, 3816. doi: 10.3390/en15103816.)
A nedves őrlési folyamatokra nyolc környezeti hatáskategóriát –fotokémiai ózonképződés (POCP), tengeri és szárazföldi ökotoxicitás (MAETP, TETP), emberi toxicitás (HTP), globális felmelegedés (GWP), eutrofizáció (EP), savasodás (AP) és fosszilis abiotikus kimerülés (ADPF)– vizsgáltam. Az alkalmazott normalizálási és súlyozási módszereka vizsgált modellekre azonosak voltak (CML 2016). A laboratóriumi nedves mészkőőrlés környezeti hatásait a 2. ábra szemlélteti.
- ábra.Mészkő nedves laboratóriumi őrlésének környezeti hatása– normalizált és súlyozott értékek –nanogrammban. (forrás: Mannheim, V. and Kruszelnicka, W. Energy-Model and Life Cycle-ModelforGrindingProcesses of Limestone Products.Energies 2022, 15, 3816. doi: 10.3390/en15103816.)
Az életciklus-elemzés eredményeképpen elmondható az, hogy a környezeti hatások relatív hozzájárulása 80%-ban a tengeri vízi ökotoxicitásból, 7,4%-ban a fosszilis abiotikus kimerülésből és 5,9%-ban a globális felmelegedésből származik. Egy kg mészkő nedves őrlésének teljes környezeti terhelése 16,3 ng ésaz előállított primer energia értéke: 16,73 MJ. A felhasznált alapanyagok típusa és tömege, az energiafelhasználás, valamint az őrlési paraméterek erősen befolyásolták a mészkő környezeti hatását életciklusa során. A legnagyobb tömegarányú környezeti hatás a villamosenergia-felhasználásból és a mészkő előkészítéséből/előőrléséből adódik.
Kutatómunkám befejező lépéseként energia-LCA integrálási modelleket állítottam fel a környezeti hatások és a hasznos termék tömegére vonatkozó fajlagos energia közötti matematikai összefüggések által. Az alábbi matematikai egyenlet az őrlés által igényelt szemcseméretű termék tömegét, azaz a hasznos terméktömeget írja le a termék becsült szemcseméret-eloszlása és az őrlési folyamat teljes output tömegének szorzataként:
A hasznos terméktömeg és az őrlési idő hányadosából megkapjuk a hasznos termékre jutó fajlagos kapacitást:
A teljes output tömegre vonatkozó energia felhasználást az őrlési finomság–fajlagos őrlési munka függvényből származtatott fajlagos őrlési munka segítségével határoztam meg. Mészkő nedvesőrlésére vonatkozóan a matematikai egyenlet az alábbi:
A hasznos terméktömegre jutó fajlagos energiaszükséglet az alábbi egyenletekkel írható fel:
Amennyiben feltételezzük azt, hogy az életciklus-értékelés során a funkcionális egység megegyezik a hasznos terméktömeggel, akkor modellezhetjük a környezeti hatások változását a hasznos termékre jutó fajlagos energiára vonatkozóan. Vagyis, megkaphatjuk a hasznos terméktömegre vonatkozó környezeti hatásokat a különböző fajlagos energiaszintekhez. Ehhez olyan közelítő függvényt is illeszthetünk, amellyel megkaphatjuk példaképpen a szén-dioxid-kibocsátási potenciál/kg hasznos termék függvényt a fajlagos energia függvényében.
Az őrlés egy nagyon aktuális fejlesztési terület számos iparágban, így annak innovációja az Európai Unió versenyképességét segítheti. Ez a kutatómunka egy új és még nem ismert energia-LCA integrálási modellt állít fel, ami lehetővé teszi az ipar számára azt, hogy előrejelzéseket készítsen üzemi őrlési folyamatokra az őrlőrendszerek energetikai és környezeti hatékonyságának javítása mellett. A jövőben fontossá válhat a felállított integrálási modell kombinálása egy scale-up modellel.
(Az írás eredetileg a Zöld Ipar Magazin 2022 decemberi számában jelent meg.)
További hírek a kategóriából
