Provozní charakteristiky kontaktní parní sušky na biomasu

Transkript

1 Provozní charakteristiky kontaktní parní sušky na biomasu Jan HAVLÍK 1,*, Tomáš DLOUHÝ 1 1 České vysoké učení technické v Praze, Fakulta strojní, Ústav energetiky, Technická 4, Praha 6, Česká republika * jan.havlik@fs.cvut.cz Článek se zabývá kontaktním způsobem sušení biomasy. Na rotační parní sušárně byla provedena série experimentů, jejichž cílem bylo ověření vhodnosti použití tohoto způsobu sušení pro mokrou biomasu a určení přenositelných kritérií pro návrh nových zařízení. Testovaným materiálem byla čerstvá dřevní štěpka s vlhkostí 62 až 66 %. Experimentálně byly určeny následující provozní charakteristiky sušky: sušící křivka popisující průběh procesu, měrná plošná odpařivost sušky, měrná objemová odpařivost sušky a energetická náročnost sušení. Na základě experimentálních výsledku lze konstatovat, že spotřeba energie je ve srovnání s běžně používanými typy průmyslových sušek výrazně nižší a uvedený typ sušky je pro nehomogenní materiály, jako je dřevní štěpka, vhodný. Klíčová slova: kontaktní sušení biomasy, parní suška, měrná odpařivost, sušící křivka 1 Úvod Biomasa patří v České republice mezi tradiční a dlouhodobě využívané zdroje energie. Přestože objem vyrobené elektřiny a tepla z biomasy je nižší oproti nejvýznamnějším primárním zdrojům energie, jako je např. uhlí nebo uran, má biomasa výrazný podíl v zastoupení obnovitelných zdrojů energie [1]. Rozvoj využívání biomasy pro energetické účely do značné míry vyčerpává kapacitu jejích kvalitních, snadno dostupných forem. K dispozici zůstávají podřadné formy biomasy, jejichž využití je často komplikováno vysokým obsahem vody. Ten snižuje výhřevnost biomasy, a tím zhoršuje podmínky pro její spalování. Spalování vlhké biomasy snižuje účinnost kotle, produkuje větší množství spalin, zvyšuje teplotu rosného bodu spalin a může způsobit nestabilitu spalování. Také dopravní a skladovací náklady rostou s vyšším obsahem vody. Je-li obsah vody v biomase vysoký, řádově nad 55 %, její samostatné spalování je velmi obtížné [2]. Příklady takové biomasy jsou mokrá kůra, zelená lesní štěpka, zemědělské odpady a odpady z potravinářské výroby jako řepné řízky nebo lihovarnické výpalky. Sušení těchto materiálů nabízí možnost jejich dalšího energetického využití. Energetická náročnost sušení je však značná. Aplikace klasických metod, jako je sušení horkým vzduchem nebo spalinami, není pro produkci paliva z mokré biomasy vhodné a ekonomicky se nevyplácí [3]. Proto jsou vyvíjeny nové energeticky úsporné sušící metody, které po integraci do energetických zařízení mohou vést k výraznému zvýšení jejich účinnosti [4]. 27

2 2 Kontaktní sušení Jednou z cest, jak energetickou náročnost sušení biomasy snížit resp. zlepšit účinnost energetických zařízení integrací sušení, je užití bubnové kontaktní sušky otápěné externě získaným teplem. U tohoto typu sušky se teplo do sušeného materiálu přivádí přes výhřevnou plochu, která vymezuje sušící prostor [4]. Kontaktní rotační sušky se nejčastěji používají pro nehomogenní materiály malých rozměrů, což odpovídá výše uvedeným druhům biomasy [5]. Vhodnost tohoto způsobu sušení pro mokrou odpadní biomasu je nutné experimentálně ověřit, kdy důležitým faktorem je energetická náročnost procesu. Pro návrh a dimenzování nových zařízení je potřebné experimentální určení přenositelných kritérií charakterizujících provoz tohoto typu sušek pro výše uvedené materiály. Hlavním parametrem pro konstrukci a dimenzování sušek je měrná odpařivost udávající množství odpařené vody ze sušeného materiálu vztaženého k ploše nebo objemu otápěné části sušky [5]. Plošná nebo objemová odpařivost se používá v závislosti na typu sušky a způsobu přenosu tepla. Typické hodnoty odpařivostí a spotřeb energie na 1 kg odpařené vody běžných typů průmyslových sušek jsou uvedeny v Tab. 1. Proces sušení je možné popsat sušicí křivkou, která definuje závislost obsahu vody v sušicím materiálu na době sušení v průběhu procesu [5]. Tab. 1. Typické odpařivostí a spotřeby energie [5] Typ sušky Odpařivost (kgvodyhod -1 m -2 nebo m -3 ) Spotřeba energie (kj na 1 kg odpařené vody) Kanálová suška Pásová suška Rotační suška m Fluidní suška Proudová suška m Rozprašovací suška 1-30 m Bubnová suška 6-20 m Experimentální kontaktní rotační suška Suška (viz Obr. 1) je tvořena rotujícím bubnem o průměru 600 mm a délce 2000 mm. Palivo je do prostoru bubnu dopravováno šnekovým dopravníkem. Rychlost otáčení bubnu je řízena frekvenčním měničem pohonů, tímto způsobem je možné regulovat dobu setrvání paliva v sušce. Odpařená vodní pára ze sušeného materiálu je ze sušky odsávána pomocí brýdového ventilátoru. 28

3 Obr. 1 Parní bubnová suška na biomasu Buben sušky se skládá z otápěných trubek. Na vnitřní straně (na straně sušeného materiálu) jsou umístěny lopatky (viz Obr. 2) pro prodloužení doby kontaktu s topnou plochou a zvýšení povrchu sušky při zachování velikosti obestavěného prostor. Buben je z vnější strany tepelně zaizolován, jeho konfigurace je znázorněna na Obr. 2 Vnitřní konfigurace bubnu. Suška je otápěna párou, která kondenzuje uvnitř trubkového systému. 4 Měření Obr. 2 Vnitřní konfigurace bubnu Cílem experimentů je určení měrných kritérií využitelných pro návrh nového zařízení. Jako hlavní kritéria byly zvoleny: 1) Sušící křivka - závislost obsahu vody v materiálu W [-] na čase t [min] v průběhu procesu sušení W = W (t). 2) Měrná plošná odpařivost [kg hod -1 m -2 ] - množství vody odpařené z 1 m 2 otápěného povrchu sušárny za jednu hodinu sušení. 3) Měrná objemová odpařivost [kg hod -1 m -3 ] - množství vody odpařené z 1 m 3 otápěného objemu sušárny za jednu hodinu sušení. 4) Energetická náročnost sušení [MJ kg -1 ] - množství energie potřebné k odpaření 1 kg vody z biomasy. 29

4 obsah vody [%] Energie z biomasy XVII, Průběh experiment V rámci experimentů bylo realizováno několik měřících kampaní. Vstupní palivo byla dřevní štěpka s vlhkostí mezi 62 až 66 %. Po průchodu paliva suškou je materiál znovu vložen do vstupního šnekového dopravníku. Tento postup simuluje větší délku bubnu, a tím poskytuje nezbytnou dobu sušení. To také umožňuje analyzovat vzorky materiálu pro stanovení aktuálního obsahu vody v průběhu sušení. Tímto způsobem je možné sestavit sušicí křivku pro konkrétní provozní podmínky. Suška byla v průběhu všech experimentů otápěna parou o parametrech 3,2 bar / 136 C. Hodnota přetlaku měřeného uvnitř sušky se pohybovala v rozmezí 10 až 20 Pa, jedná se tedy o malý přetlak vůči okolní atmosféře, který je dán vývinem páry uvnitř sušky. Brýdová pára vznikající při sušení uvnitř sušky je odsávána ventilátorem regulovatelným frekvenčním měničem tak, aby bylo odsáváno příslušné množství páry 4.2 Výsledky Pro charakteristiku konvenčních rotačních sušáren se běžně používá objemová odpařivost. Pro kontaktní sušárny, kde je teplo převáděno ze stěn válce do mokrého paliva, je vhodnější použití plošné odpařivosti. Měrná odpařivost je závislá na následujících provozních parametrech [3]: Obsah vody v sušeném materiálu Teplota topného média Zaplnění bubnu sušky Rotace bubnu a jeho sklon Porovnání křivek pro zaplnění bubnu sušky 14 % s rychlostí otáčení 2,9 otáček za minutu (Tab. 2 - měření 4) a pro zaplnění 24 % se stejnou rychlostí otáčení (Tab. 2 - měření 8) jsou uvedeny na Obr zaplnění bubnu - 24 % Zaplnění bubnu - 14 % čas [min] Obr. 3 Sušicí křivka bubnové sušárny 30

5 Při větším zaplnění sušky je nutné vysušit větší obsah vody vztažený k ploše sušky, proto je potřeba delší sušicí čas. Ukázka sušeného materiálu je na Obr. 4. V levé části je surová dřevní štěpka skladovaná ve venkovních prostorách s obsahem vody kolem 60 %, v pravé části je štěpka vysušená na obsah vody zhruba 10 %. Obr. 4 Dřevní štěpka před a po vysušení V Tab. 2 jsou uvedeny výsledky naměřené plošné a objemové odpařivosti. Výsledky jsou porovnány s výsledky dříve provedených měření na tomto zařízení (měření 5 až 7, kde je jako sušený materiál použita mokrá drcená kůra), které jsou publikovány v [3]. Tab. 2. Měrné odpařivosti rotační sušky Měření Zaplnění bubnu [%] Vstupní vlhkost [%] Rychlost otáčení [ot min -1 ] Plošná měrná odpařivost [kg hod -1 m -2 ] Objemová měrná odpařivost [kg hod -1 m -3 ] ,3 1,98 19, ,3 2,02 20, ,9 2,70 23, ,9 2,56 25, ,9 2,75 27, ,9 2,67 26, ,9 2,90 29, ,9 2,87 28, ,9 3,00 26, ,4 2,84 26,8 Z výsledků je patrné, že plošná i objemová odpařivost mírně roste s rostoucím zaplněním bubnu až do hodnoty zaplnění 20 až 24 % (viz Obr. 5). V tomto rozmezí se plošná odpařivost pohybuje v rozmezí 2,84 až 3,00 kg hod -1 m -2, a proto se toto zaplnění bubnu jeví jako optimální. Hodnoty měrné odpařivosti pro obdobná zaplnění bubnu se mírně liší také v závislosti na vstupní vlhkosti paliva, kdy s větší vstupní vlhkostí paliva měrná odpařivost mírně roste (viz Obr. 5). 1 Výsledky publikované v [3] 31

6 plošná odpařivost [kg h -1 m -2 ] Energie z biomasy XVII, ,5 3 2,5 štěpka kůra Obr. 5 Měrná odpařivost v závislosti na zaplnění bubnu sušky Výsledky měření spotřeby energie sušárny jsou uvedeny v Tab. 3. Hodnota bez tepelných ztrát byla vypočtena z naměřené hodnoty, kdy tepelné ztráty sušky byly změřeny v průběhu provozu bez náplně paliva jako 3 kg zkondenzované páry za hodinu. Tab. 3. Energetická spotřeba bubnové sušky Zaplnění bubnu [%] Spotřeba energie (MJ na kg odpařené vody) Spotřeba energie bez tepelných ztrát (MJ na kg odpařené vody) 8 3,43 2,84 9 3,46 2, ,52 2, ,58 2, ,36 2, ,43 2,84 Dle výsledků experimentů se spotřeba tepla pro odpaření 1 kg vody pohybuje mezi 3400 a 3600 kj. Tato hodnota je obdobná pro různá zaplnění bubnu. V případě optimalizace zařízení a snížení tepelných ztrát do okolí by bylo možno dosáhnout nižších hodnot. Potenciál snižování spotřeby energie je omezen až hodnotou spotřeby energie bez tepelných ztrát 2800 kj kg -1. Tato hodnota je na úrovni, která odpovídá ohřevu materiálu a skupenskému teplu vody. Tato spotřeba energie je asi dvakrát nižší v porovnání s běžnými typy sušek (viz Tab. 1). 5 Závěr 2 1,5 1 0, zaplnění bubnu [%] Výhodnost kontaktního způsobu sušení byla potvrzena na prototypu rotační bubnové sušky. Experimentálně byly stanoveny hodnoty plošné a objemové odpařivosti a průběh sušící křivky pro různá zaplnění sušky materiálem. Z výsledků je patrné, že plošná i objemová odpařivost mírně roste s rostoucím zaplněním bubnu až do hodnoty zaplnění 20 až 24 %. V tomto rozmezí se plošná odpařivost pohybuje v rozmezí 2,84 až 3,00 kg hod -1 m -2, a proto se toto zaplnění bubnu jeví jako optimální. Spotřeba energie na 1 kg odpařené vody se 32

7 pohybuje rozmezí 3400 až 3600 kj, s potenciálem dalšího snižování této hodnoty v závislosti na omezení ztrát tepla do okolí. Tato hodnota je na úrovni, která odpovídá ohřevu materiálu a skupenskému teplu vypařování vody. Na základě experimentálních výsledku lze konstatovat, že spotřeba energie je ve srovnání s běžně používanými typy průmyslových sušek výrazně nižší a uvedený typ sušky je vhodný pro nehomogenní materiály, jako je např. dřevní štěpka. Poděkování Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS14/183/OHK2/3T/12 a projektem Norských fondů NF-CZ08-OV Použitá literatura [1] Ministersto zemědělství. Akční plán pro biomasu Praha : Ministerstvo zemědělství, ISBN [2] Wade, Amos A. Report on Biomass Drying Technology. [Online] [Citace: ] NREL/TP [3] Funda, Z. Dizertační práce: Energetické využití velmi vlhké biomasy. Praha : ČVUT v Praze, [4] Dlouhý, T. a J. Havlík. Možnosti integrace sušení biomasy do energetických zdrojů. Sborník přednášek z konfernce TOP Bratislava : STU Bratislava, ISBN [5] Mujumdar, A. S. Handbook of Industrial Drying. Boca Raton : CRC Press, ISBN