Untersuchungen zum Einfluss der Verdichtungstemperatur

Ausgangspunkt der Untersuchungen zum Einfluss der Verdichtungstemperatur Die VerdichtungstemperaturϑV stellt eine wesentliche Einflussgröße auf den Verdichtungs-prozess und die Pelletqualität dar. Durch höhere Temperaturen können Inhaltsstoffe, wie Proteine, Stärke oder Lignine, aktiviert werden und zum einen die Funktion rohstoffeigener Bindemittel übernehmen [34], [44]. Zum anderen agieren diese Inhaltsstoffe als Gleitmittel und reduzieren die Reibung zwischen dem Material und der Presskanalwand sowie zwi-schen den einzelnen Fasern und Partikeln. Allerdings ist eine Trennung dieser Effekte mit der angewandten Methodik nur schwer realisierbar.

Aufgrund der kontinuierlichen Prozessführung der Pelletpresse (RMP), in Verbindung mit steigenden und schwankenden Temperaturen, fanden die Untersuchungen zum Einfluss der Verdichtungstemperatur ausschließlich im EPK statt.

Ergebnisdarstellung zum Einfluss der Verdichtungstemperatur

Abb. 4.27 zeigt die geleistete Arbeit für die Verdichtung von Heu, Gärresten sowie eine 50M a.-%ige Mischung aus beiden Rohstoffen mit je einem Zerkleinerungsgrad von 4mm und einem Wassergehalt von 20±0,5M a.-% im EPK. Bei zahlreichen Vorversuchen mit geringeren Wassergehalten (12 und 15±0,5M a.-%) wurde deutlich, dass die verwendete Technik des Einpresskanals nur bedingt geeignet war. Die Reibungskräfte im Presskanal waren vor allem bei Gärresten so groß, dass die Maschine die Versuche regelmäßig ab-brach. Weiterhin wurden die Verdichtungstemperatur in vier Stufen variiert: 40, 60, 80

und 120^◦C. Die Anteile der Verdichtungs- und Durchstoßarbeit finden sich im Anhang in Tab. G.1. Die erzielten Rohdichten der verschiedenen Einzelpellets sind in Abb. 4.28 dargestellt.

50 Ma.-% Heu 50 Ma.-% Gärreste 100 Ma.-% Gärreste

Abb. 4.27:Geleistete Verformungsarbeit bei der Herstellung von Einzelpellets aus Heu (TK-1164), Gärresten (TK-1480) sowie der Mischung aus beiden in Abhängigkeit der Verdichtungstemperatur (w20±0,5M a.-%, Zerkleinerungsgrad: HM SLW 4mm)

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Abb. 4.28:Erzielte Rohdichten bei der Herstellung von Einzelpellets aus Heu (TK-1164), Gärresten (TK-1480) sowie der Mischung aus beiden in Abhängigkeit der Verdichtungstemperatur (w20±0,5M a.-%, Zerkleinerungsgrad: HM SLW 4mm)

Aus Abb. 4.27 und Daten im Anhang in Tab. G.1 geht hervor, dass sich mit zuneh-mender Verdichtungstemperatur alle aufzuwendenden Arbeiten der Materialverformung im EPK reduzieren, was zu erwarten war [72]. Für die Verformung von reinen Gärresten im EPK wird unabhängig von der untersuchten Temperatur deutlich mehr Arbeit benötigt als für Heu. Allerdings erfolgt mit zunehmender Verdichtungstemperatur eine wesentlich stärkere, nahezu lineare Reduzierung der Verformungsarbeit (W_{M V}) als auch des Fehler-bereiches (Gärrest: bei ϑ_V 40^◦C W_{M V} 93N m, bei ϑ_V 120^◦C W_{M V} 24N m, Heu: bei ϑ_V 40^◦C W_{M V} 20N m, bei ϑ_V 120^◦C W_{M V} 7N m) - bei einer Verdichtungstemperatur von 120^◦C ist zur Heuverdichtung nur noch ein Unterschied von 16N m zu verzeichnen.

Zu erwähnen ist, dass aufgrund der ungleichen Ausgangschüttdichten von Heu (BD 149kg/m³ bei w 12,0±0,5M a.-%) und Gärresten (BD 636kg/m³ beiw 15,0±0,5M a.

-%) der Verdichtungsraum im EPK (Abb. 3.12) unterschiedlich gefüllt wird. Dementspre-chend werden mehr Gärrestpartikel je Materialschicht und Verdichtungsvorgang verarbei-tet, sodass bei geringeren Temperaturen höhere Reibungskräfte zu erwarten waren. Mit steigender Temperatur verringert sich die Reibung zwischen Kanalwand und den Parti-keln. Begründet durch den hohen Ligningehalt der Gärreste (Anhang Tab. C.2), werden Gleit- und Reibungseigenschaften der Partikel reduziert. Dabei ist zu erwähnen, dass die Ligninerweichung wassergehalts- und temperaturabhängig ist [80]. Bei der Verdichtung von Heu spielt dieser Effekt, aufgrund des vergleichsweise geringen Anteils an Lignin (An-hang Tab. C.2), eine untergeordnete Rolle. Bei Heu sind es vermutlich eher Inhaltsstoffe wie Proteine, die die Reduzierung der Reibungskräfte unterstützen und das Näherbrin-gen der Heufasern zueinander erleichtern. Durch höhere Temperaturen werden die Fasern flexibler und formen effektivere, formschlüssige Bindungen ohne Rückexpansion. Dies ver-deutlichten die Aufnahmen der Einzelpellets von Heu bzw. Gärresten hergestellt bei Ver-dichtungstemperaturen von 40 bzw. 120^◦C. Abb. 4.29, A zeigt schuppige Heupellets mit Inhomogenität und großen Poren. Dies wird durch eine geringe Pelletrohdichte bestätigt (Abb. 4.28). Bei höheren Temperaturen entstehen glatte und glänzende Heupellets oh-ne sichtbare Fehlstellen (Abb. 4.29, B) in Verbindung mit deutlich höheren Rohdichten (Abb. 4.28). Dennoch ist bei allen untersuchten Verdichtungstemperaturen stets die ur-sprüngliche Faserstruktur des zerkleinerten Heus (Abb. 4.3) präsent. Die Thematik der Proteinrelevanz bei der Heuverdichtung wird im Kapitel 4.3.5 noch einmal vertieft.

1 cm

A

1 cm

B

1 cm

C

1 cm

D

Abb. 4.29:Im EPK hergestellte Pellets aus Heu (TK-1164) (A, B) bzw. Gärreste (TK-1480) (C, D) beiϑV 40 (A, C) bzw.

120^◦C(B, D) (w20±0,5M a.-%, Zerkleinerungsgrad: HM SLW 4mm).

Bei der Gärrestverdichtung werden hohe, mit zunehmender Temperatur leicht ab-nehmende Rohdichten erzielt (1,44g/cm³ bei ϑ_V 40^◦C und 1,34g/cm³ bei ϑ_V 120^◦C).

Erzeugte Einzelpellets sind in Abb. 4.29, C und D dargestellt. Zwischen den Verdichtungs-temperaturen 40 (Abb. 4.29, C) und 120^◦C (Abb. 4.29, D) sind optisch nur sehr geringe Unterschiede erkennbar. Die bei geringerer Temperatur hergestellten Pellets (Abb. 4.29, C) sind leicht aufgequollen und glänzen weniger. Vermutlich werden bei geringeren Tem-peraturen in Verbindung mit größeren Verformungsarbeiten die Partikel näher zusammen-gebracht, sodass auch bei niedriger Temperatur (40^◦C) bereits Schmelzen zwischen den Partikeln entstehen und Bindungen über eine stoffliche Brücke gebildet werden. Dies wird durch Mikroskopaufnahmen der Bruchfläche der Einzelpellets aus Gärresten, verdichtet bei 40 bzw. 120^◦C, bestätigt (Abb. 4.30, E und F) - die ursprünglichen Partikelstruk-turen sind nicht mehr erkennbar (Abb. 4.11). Auf mögliche Schmelzprozesse wird in den folgenden Kapiteln noch näher eingegangen.

E F G

Abb. 4.30:Stereomikroskopaufnahmen der Bruchflächen von Einzelpellets aus Gärresten (TK-1480) beiϑV 40 (E) bzw. 120^◦C(F) und aus der 50M a.-%igen Mischung von Heu und Gärresten beiϑV 120^◦C(F) (w 20±0,5M a.-%, Zerkleinerungsgrad: HM SLW 4mm)

Bei der 50M a.-%igen Mischung von Heu und Gärresten wird, vergleichbar mit reinen

Gärresten, wesentlich weniger Verformungsarbeit aufgewendet. Auch hier ist, im Vergleich zu reinen Gärresten, das geringerer Schüttvolumen beim Befüllen des EPK zu erwähnen.

Dennoch fügen sich die Gärrestpartikel gut zwischen die Heufasern ein, was sich in höhe-ren, nahezu temperaturunabhängigen Rohdichten (Abb. 4.28) wiederspiegelt. Ein guter Faser-Partikel-Verbund wird zusätzlich in mikroskopischen Betrachtungen deutlich (ex-emplarisch in Abb. 4.30, G). Auch hier sind die Fasern des Halmgutes deutlich sichtbar, welche in eine Masse aus Gärresten ohne erkennbare Struktur eingebettet sind.

Fazit zum Einfluss der Verdichtungstemperatur

Die Verdichtungstemperatur stellt im Versuchsspektrum einen großen Einfluss auf die ge-leistete Verformungsarbeit dar. Bei entsprechend hohen Temperaturen kann infolge der Reduzierung von Gleit- und Reibungseigenschaften sowie der Aktivierung von Bindeme-chanismen der Energieeintrag teils deutlich reduziert werden. Bei der Verdichtung von Heu kann zusätzlich die Pelletqualität (Rohdichten) sichtbar gesteigert werden. Bei Gärresten ist dieser Effekt nur marginal.