1.5. Обладнання для сушки біосировини

Сушка являється обов’язковою операцією в процесі виробництва деревних гранул.

По своїй фізичній суті сушка являється складним дифузійним процесом, швидкість якого визначається швидкістю дифузії вологи із поверхні висушуємого матеріалу в навколишнє середовище.

Методи сушіння вологого матеріалу розрізняються переважно способом підведення теплоти й зумовлені фізико-хімічними властивостями цих матеріалів, а також формою їх зв’язку з вологою. В технології виробництва гранул застосовується метод конвективного сушіння, що характеризується безпосереднім контактом матеріалу з потоком нагрітого газу (повітря). Волога випаровується за допомогою теплоти нагрітого газу, який одночасно поглинає і виносить із сушарки утворену водяну пару.

Матеріальний баланс повітряної сушарки

Звичайно сушарки розраховують, виходячи із заданої кількості вологого матеріалу та його початкової і кінцевої вологості. Щоб визначити кількість висушеного матеріалу, випареної вологи та витрату сухого повітря на вису­шування, складають матеріальні баланси: за абсолютно сухою речовиною та за вологою.

Якщо немає втрат матеріалу, то кількість абсолютно сухої речовини в ньому до і після висушування лишається незмінною; якщо ж m₁ і т₂ — витрати вологого матеріалу до і після сушіння, кг/с, а ω₁ і ω₂ — масові частки вологи в матеріалі до і після сушіння, % до загальної маси, то баланс за сухою речовиною буде:

звідки маса вологого матеріалу:

або маса висушеного матеріалу:

Кількість вологи W яку видаляють під час висушування, дорівнює різниці мас вологого і висушеного матеріалу:

Підставивши в останнє рівняння вираз для т₂ отримаємо:

або

Якщо в рівняння замість т₁ підставити його вираз з рівняння, то

Матеріальний баланс сушарки за вологою складемо, якщо прирівняємо кількість вологи, що вноситься в сушарку з вологим матеріалом і з повітрям, до кількості вологи у висушеному матеріалі й відпрацьованому повітрі:

звідки

де L— витрата абсолютно сухого повітря, кг/с.

Ліва частина останнього рівняння — це кількість вологи, що видаляєть­ся під час висушування, тобто

звідки загальна витрата абсолютно сухого повітря на висушування

Питома витрата повітря, тобто витрата його на 1 кг вологи, яку видаля­ють з матеріалу в сушарці,

де d₂, d₁— вологовмісти повітря після і до сушарки, г/кг.

Оскільки повітря, проходячи через калорифер, не поглинає і не віддає вологи, його вологовміст при нагріванні в калорифері лишається незмінним, отже, х_х = х_0і тому:

Це рівняння є основним рівнянням для визначення витрати повітря в сушильній установці. Із цього рівняння видно, що витрата повітря збільшується із збільшенням х₀. У зв'язку з тим, що вологовміст зовнішнього повітря в літній час більший порівняно із зимовим, то вентилятор розрахо­вують для літніх умов роботи сушарки.

Тепловий баланс повітряної сушарки

Для усталеного процесу рівняння теплового балансу виражає однаковість кількості теплоти, що надходить у сушильну установку, і теплоти, що вихо­дить з неї.

Надходження теплоти:

а) із свіжим повітрям у калорифер вноситься теплоти LI₀, де І₀ — ен­тальпія повітря при його температурі t₀;

б) від джерела теплоти в калорифері Q_к;

в) додаткова теплота, що вводиться в сушильну камеру Q_д;

г) з вологим матеріалом , де т₁ — маса матеріалу, що подається на висушування за одиницю часу, кг/с; с_м — теплоємність матеріалу, Дж/(кг· К); θ₁ — температура матеріалу до висушування, °С.

Оскільки за рівнянням т_х = т₂ +W, то можна записати

де с_в — теплоємність води, Дж/(кг·К);

д) з транспортними пристроями m_т, c_т, t_т.п, де m_т, с_т, t_т.п, — відповідно маса, теплоємність матеріалу транспортного пристрою та його температура на вході в сушарку.

Вихід теплоти:

а) з повітрям, що виходить, LI₂, де І₂ — ентальпія повітря при його тем­пературі t₂;

б) з висушеним матеріалом де θ₂ — температура матеріалу на ви­ході з сушарки;

в) з транспортними пристроями м_Т, c_т, t_т.к, де m_т, с_т, t_т.к, — температура матеріа­лу транспортного пристрою на виході з сушарки;

г) втрати теплоти в навколишнє середовище Q_н.

Тепловий баланс сушарки виразиться рівнянням:

Загальні витрати теплоти в сушарці складаються з Q_к і Q_д, тому останнє рівняння набуває вигляду:

Поділимо кожну складову частину теплового балансу на W і назвемо ці вирази питомими витратами теплоти, тобто:

Позначимо сумарні питомі теплові втрати через

Відповідно до цих позначень питомі витрати теплоти на висушування будуть:

Питому витрату теплоти в калорифері при заданому q_д, визначимо з рівняння:

Питому витрату теплоти в калорифері можна визначити також з рівняння:

Прирівнюючи праві частини цих рівнянь, отримаємо:

Позначимо праву частину цього рівняння через Δ:

Тоді:

Для аналізу і розрахунку процесів сушіння доцільно ввести поняття про так звану теоретичну сушарку, яка працює без додаткового підведення теп­лоти в сушильній камері (q_д = 0), без теплових втрат (∑q_втр = 0) і при θ₁ = 0. Згідно з рівнянням для такої сушарки Δ=0, тоді отримаємо:

або

Процес у теоретичній сушарці відбувається при постійній ентальпії по­вітря. При цьому теплота, що виділяється під час охолодження повітря, ви­трачається лише на випаровування вологи з матеріалу, а тому вона разом з утвореною парою знову повертається в повітря.

У реальній сушарці під час висушування матеріалів можуть трапитись три випадки:

1. Δ = 0, тобто . Підведена теплота в сушарку цілком покриває втрати на нагрівання матеріалу, транспортних засобів та втрати в навколишнє середовище. У цьому випадку , що відповідає . Таку сушарку розрахову­ють аналогічно теоретичній сушарці.

2. Δ > 0, тобто У цьому випадку підведена теплота з лишком перекриває усі теплові втрати, тобто , отже .

3. Δ < 0, тобто . У цьому випадку підведеної теплоти не вистачає на покриття теплових втрат, тобто , отже . Такі сушарки найпоширеніші у практиці.

Виходячи з наведених міркувань, величину Δ називають тепловою харак­теристикою сушарки.

Технологія сушіння

Всього існує кілька десятків технологій і варіацій технологій, які можна застосовувати для сушіння різноманітних сипучих матеріалів. Майже всі вони були розроблені ще в першій половині XX століття. Їх описи та аналіз присутні в технічній літературі 1930-х років видання! Проте багато хто з них в останні роки "відкриваються заново", тому що постачальники обладнання та інжинірингові компанії (що природно) знаходяться в безперервному пошуку шляхів удосконалення технологій, які застосовуються при виробництві біопалива. Основні завдання, які сучасні винахідники прагнуть вирішити:

- Зниження енергоємності сушіння;

- Зменшення вартості обладнання;

- Спрощення технології та зменшення площ, які займає сушильним обладнанням;

- Підвищення вибухо- і пожежної безпеки.

Барабанні сушарки

З ряду причин в біопаливній галузі, так само як і в багатьох інших галузях, де потрібне сушіння великих об'ємів сипучих матеріалів найбільшого поширення набули саме сушильні агрегати барабанного типу. Ці сушарки широко застосовуються для безперервного сушіння при атмосферному тиску кускових, зернистих і сипучих матеріалів.

Одинична продуктивність такої сушарки може складати до 20 тонн на годину і більше. Перевагами технології сушіння в барабані є помірна вартість, перевірена, надійна, традиційна технологія, бережлива сушка, що забезпечує збереження всіх властивостей матеріалу, висока енергоефективність.

Сушильний агрегат барабанного типу, як правило, використовує для сушіння топкові гази в суміші з повітрям. Барабанні і дискові контактні сушильні агрегати можуть працювати з використанням у вигляді теплоносія: пари, гарячої води або термомасла. Температура теплоносія на вході в барабан становить зазвичай 400 ˚С, що дозволяє мінімізувати шкідливі викиди в атмосферу, забезпечивши максимальну якість висушеної біомаси.

Іноді в сушильний комплекс може бути включена топка на біомасі, що виробляє гарячі гази, необхідні для сушіння.

При установці барабанної сушарки під відкритим небом необхідно додатково включити до постачання теплоізоляції головного циклону, шлюзового затвору щоб уникнути конденсації вологи в цих вузлах. Теплоізоляція барабана потрібна в будь-якому випадку.

Рис. 1.7. Схема сушіння в сушарці барабанного типу

Умовні позначення: 1 – паливо, 2 – теплогенеруюча установка, 3 – барабан, 4 – циклон, 5 – вентилятор, 6 – подача вологого матеріалу, 7 – шлюзовий затвор, 8 – труба викиду теплоносія, 9 – теплоносій, 10 – теплоносій, для повторного використання.

Принцип дії:

Вологий матеріал подається в барабан 6. Теплоносій (топкові гази в суміші з повітрям) 9 нагрівається в теплогенеруючій установці 2 та вступає в контакт з матеріалом всередині барабана 3. Постійне обертання барабана та встановлені усередині нього перегородки (лопатки) забезпечують постійне знаходження матеріалу в потоці теплоносія, що приводить до інтенсивного випаровування вологи. Крім того така взаємодія дозволяє ефективно відокремлювати дрібні і легкі частинки матеріалу, які швидко висихають, від більш великих, важких, вологих часток. Дрібна суха фракція швидко покидає барабан, підхоплена потоком теплоносія. Велика фракція залишається всередині барабана більш тривалий час, поки не покине його з належним рівнем вологості. Теплоносій за допомогою потужного головного вентилятора 5 транспортується з теплогенеруючої установки через барабан до головного циклону 4 сушильного агрегату. У циклоні висушенний продукт відділяється від потоку теплоносія. Відпрацьований теплоносій (повітря, насичене водяною парою) викидається в атмосферу через трубу викиду теплоносія 8. Під циклоном встановлений великий шлюзовий затвор 7 що затримує теплоносій і випускає висушений продукт для подальшої переробки.

Рис. 1.8. Сушильний комплекс барабанного типу з твердопаливним теплогенератором

Умовні позначення: 1 – паливний бункер, 2 – топка зі змішувальної камерою, 3 – система іскропогашення, 4 – газохід, 5 - живильники завантаження вихідною сировиною, 6 – бункер завантаження, сушильний барабан, розвантажувальний бункер, 7 – газохід виходу теплоносія з барабана, 8 – циклон очищення теплоносія від дрібної фракції сухої сировини, 9 – живильники циклону, 10 – газохід до димососу, 11 – димосос, 12 – труба димососа, 12 – транспортер завантаження палива в паливний бункер, 14 – транспортер завантаження вихідної сировини в живильник сушильного барабану, 15 – транспортер подачі сухої сировини на наступні технологічні операції.

Позиції 1-3 можуть бути замінені газовим пальником зі змішувальною камерою. Теплоносій: топкові гази в суміші з повітрям.

Температура, підтримувана на вході в барабан, залежить від характеристик сушильного агрегату і режиму його експлуатації - необхідної продуктивності, початкової вологості продукту і т.д. Найчастіше вона підтримується на рівні 250-450 градусів Цельсія. У міру просування матеріалу через барабан його вологість знижується, проте на виході з барабана температура теплоносія і самого матеріалу вже значно нижча за температуру горіння. Температура теплоносія на виході з барабана повинна бути вище точки роси, щоб уникнути конденсації пари. Зазвичай вона підтримується на рівні 70-110 градусів Цельсія.

Стрічкові сушарки.

Поряд з барабанними сушарками нерідко для сушіння біомаси застосовуються сушильні комплекси стрічкового типу.

Стрічкові сушильні комплекси для дерев’яних трісок та тирси мають ряд переваг у порівнянні з сушарками барабанного типу. Низькотемпературний сушильний агрегат стрічкового типу, що використовує в якості теплоносія гарячу воду, дозволяє економити електричну енергію, має низький рівень шкідливих викидів (не потрібні додаткові заходи щодо очищення викидів), дає можливість використання низькотемпературної енергії, забезпечує бережну сушку, що зберігає всі властивості матеріалу, автоматизує процес виробництва.

До недоліків стрічкових сушарок належать: висока вартість, дуже жорсткі вимоги до однорідності матеріалу по фракційному складу і початковій вологості, складна в обслуговуванні (через перекоси і розтягування стрічок), має велику кількість рухомих частин, питома продуктивність невисока, а питома витрата тепла досить висока.

Ідеально застосовувати стрічкові сушарки при наявності надлишкової теплової потужності існуючої котельні або технологічного тепла. Теплоносієм виступає гаряча вода 90-110 °C.

Іноді стрічкова сушарка комплектується водогрійним котлом на біомасі, за допомогою якого вода буде нагріватися до температури 105 ˚С у кількості, необхідній для сушіння.

Рис. 1.9. Схема сушіння в стрічковій сушарці

Умовні позначення: 1 – вологий матеріал, 2 – шнековий живильник І,

3 – розвантажувальний шнек І, 4 – шнековий живильник ІІ, 5 – вивантаження сухого матеріалу, 6 – теплообмінник, 7 – витяжний вентилятор, 8 - очисна щітка, 9 – пристрій для миття стрічки.

Принцип дії:

За допомогою конвеєра вологий матеріал 1 дозовано подається в шнековий живильник 2, який рівномірно розподіляє його по всій ширині стрічки. Кількість що подається матеріалу регулюється за допомогою зміни крутного моменту шнека живильника 2, що дозволяє забезпечити рівномірне заповнення шнека. Шар продукту транспортується через сушильну камеру разом зі стрічкою аж до розвантажувального шнека І 3. За допомогою додаткового шнекового транспортера вивантажений продукт повертається в шнековий живильник ІІ 4, який повторно розподіляє матеріал на стрічці поверх першого шару. Після повторного проходження частини довжини сушильної камери матеріал вивантажується 5 для подальшої переробки. Використання такої подвійної системи дозволяє досягнути максимального насичення сушильного агента (газу) вологою і таким чином - максимальної енергоефективності процесу. На виході з сушарки 5 здійснюється контроль вологості матеріалу. За результатами цього контролю подається сигнал, що регулює швидкість руху стрічки і тим самим - пропускну спроможність (продуктивність) сушильного агрегату. Таким чином, продуктивність сушарки залежить від кількості доступної теплової енергії. Витяжний вентилятор 7 втягує зовнішнє повітря через теплообмінник 6, де повітря нагрівається перед тим, як потрапити до сушильної камери і пройти крізь шар матеріалу і саму перфоровану стрічку. Під час проходження крізь сушильну камеру матеріал, що знаходиться на стрічці, висихає. Повітря , яке насичений вологою, залишає сушильну камеру через трубу викиду теплоносія. Продуктивність вентилятора регулюється за допомогою перетворювача частоти, залежно від теплової потужності, яка подається на теплообмінник. Для забезпечення оптимальної роботи агрегат оснащений щіткою 8 і системою мийки 9, які очищають стрічку в процесі роботи сушарки.

Інші технології сушіння

Серед альтернативних технологій сушіння, які отримали певне поширення в біопаливній галузі:

* Сушильні комплекси "фонтанного типу";

* Кінетичні агрегати для сушки і подрібнення матеріалів;

* Роторні барабанні сушарки;

* Шнекові сушарки.

На сьогоднішній день жодна з перелічених технологій не одержали масового поширення через незавершеність конструкторських розробок, а також у ряді випадків - за причини принципових недоліків у застосуванні саме для сушіння сировини для твердого біопалива. Однак сам факт ведення подібних розробок позитивний і вселяє надію на те, що в майбутньому виробництво біопалива стане ще більш ефективним, економічним і безпечним.