Menu

Suszenie biomasy

5.5.1 Wstęp

5.5.2 Suszenie z wykorzystaniem energii słonecznej

5.5.3. Suszarki bębnowe

5.5.4. Suszarki taśmowe

5.5.5. Suszarki strumieniowe

5.5.6. Suszarki fluidalne

 

5.5.1 Wstęp

 

Wilgotność w procesie spalania, zgazowania czy aglomeryzacji biomasy to parametr mający kluczowe znaczenie. Dla przykładu zawartość wilgoci dla kotłów opalanych drewnem powinna wynosić do 15%. W przypadku procesu zgazowania biomasy maksymalna zawartość wilgoci w biomasie uzależniona jest od rodzaju reaktora do zgazowania (np. dla małych reaktorów poniżej 20%).
Zawartość wilgoci w biomasie jest bardzo zróżnicowana i zależna od:
- rodzaju surowca,
- terminu zbioru,
- obróbki wstępnej surowca,
- sposobu i okresu magazynowania.
Dla przykładu świeże drewno ma wilgotność ok. 50% w ujęciu wagowym, natomiast wilgotność odpadów z drewna (trociny, wióry, pył) jest zazwyczaj poniżej 15%. Biomasa o zbyt wysokiej wilgotności ze względów ekonomicznych nie jest wykorzystywana w procesie np. spalania, dlatego poddaje się ją procesowi suszenia. Spalanie biomasy odbywa się w sposób optymalny, wtedy gdy jest możliwy stały ściśle określony poziom wilgotności podawanego paliwa. Spalanie biomasy o różnej wilgotności wymaga stosowania w instalacjach kotłowych rozbudowanego systemu regulacyjnego, co pociąga za sobą znaczny wzrost nakładów inwestycyjnych. Odparowywanie wilgoci z materiału suszonego do czynnika suszącego będzie zachodzić, gdy równowaga prężności pary nad materiałem jest większa niż prężność cząstkowa pary wodnej w czynniku suszącym. Proces suszenia będzie trwał do osiągnięcia przez układ stanu równowagi, czyli do momentu, kiedy prężność równowagowa pary wodnej nad materiałem i prężność cząstkowa pary wodnej w czynniku suszącym będą sobie równe. Prężność pary wodnej nad materiałem wilgotnym jest wywierana przez ciecz znajdującą się na zewnętrznej warstwie materiału suszonego i zależy od charakteru wilgoci, rodzaju ciała stałego i temperatury [Strumiłło, 1983].
Proces suszenia może przebiegać w warunkach naturalnych bądź z wykorzystaniem urządzeń i instalacji. Suszenie w suszarniach jest procesem kosztownym pod względem ekonomicznym i wymaga dodatkowych nakładów energetycznych, dlatego należy w miarę możliwości biomasę suszyć przy wykorzystaniu naturalnych procesów. Naturalne procesy suszenia mają zastosowanie tam, gdzie prężność zawartej w powietrzu pary wodnej jest niższa od punktu nasycenia. Należy mieć na uwadze, że proces suszenia w warunkach naturalnych jest procesem powolnym i zależy od warunków pogodowych.
Ten sposób suszenia nie jest wskazany dla materiałów o zbyt dużej wilgotności, ponieważ może nastąpić rozkład biologiczny biomasy przed jej ostatecznym wysuszeniem. W celu ograniczenia ryzyka związanego ze zmianami pogody buduje się specjalne budowle np.: suszarnie słoneczne czy wiaty.

 

5.5.2 Suszenie z wykorzystaniem energii słonecznej


W naszej szerokości geograficznej w ciągu jednego roku słońce na każdy metr kwadratowy płaskiej powierzchni dostarcza przeciętnie 1000 kWh energii. Jest to ilość energii w zupełności wystarczająca do efektywnego odparowywania wody z suszonych materiałów. W suszarni słonecznej ogrzane energią słoneczną powietrze doprowadzane jest, poprzez sitowe dno, pod spód pryzmy biomasy, np. zrębków. Dzięki zastosowaniu powietrza jako nośnika energii niewymagane jest stosowanie dodatkowych wymienników, co bardzo upraszcza instalację i obniża koszty eksploatacji. Składowany w takiej suszarni materiał powinien być przerzucany w celu ułatwienia suszenia. Na rysunku poniżej przedstawiono
proces suszenia w suszarni słonecznej.

Rys. Proces suszenie biomasy przy wykorzystaniu energii słonecznej

 

Suszarnie słoneczne mogą mieć postać zwykłych wiat w których energia słońca nagrzewa dach i ściany powodując wewnątrz przepływ gorącego powietrza. Przy zastosowaniu na pokrycie dachowe szkła uzyskuje sie spotęgowanie efektu nagrzewania (efekt szklarniowy). Ilość nagrzanego powietrza i jego energia jest zwykle tak duża, że konieczne jest wymuszenie jego przepływu za pomocą wentylatorów. Jeszcze lepze wyniki daje zastosowanie na dachu paneli słonecznych. Rozwiązanie takie zastosowano w Złoczewie, gdzie wyzwaniem, przed którym stanęli projektanci ciepłowni, było połączenie w jednym budynku technicznym kotłowni, sterowni, magazynu biomasy z suszarnią solarną zrębek drzewnych, wykorzystującą do suszenia powietrzne kolektory słoneczne, o łącznej powierzchni 122 m2 (fot. 5). Zastosowanie instalacji solarnej do podsuszania biomasy podnosi sprawność działania kotłów i produkcji ciepła. Uzysk ciepła z kolektorów wynosi 200 kWh/m3 suszonych zrębków, umożliwiając przesuszenie latem ok. 500 ton paliwa. Powietrze o temperaturze przekraczającej 70°C tłoczone jest za pomocą wentylatorów pod perforowaną podłogę suszarni. 

ozebio56.jpg

Fot. Suszarnia słoneczna biomasy w Złoczewie. 

 

Fot. Suszarnia solarna w Złoczewie.

 

Instalacja w Złoczewie została wykonana przez Austriacką firmę CONA. Ogrzane energią słoneczną powietrze rozprowadzane jest poprzez opatentowane dno sitowe i może swobodnie przepływać przez pryzmę suszonego materiału. Dzięki temu nie jest potrzebne duże ciśnienie i możliwe jest zastosowanie wentylatorów osiowych o mocy tylko od 0,2 do 0,4 kW. Aby wysuszyć 1 metr przestrzenny zrębka o wartości wody 50% do zawartości wody 15%, potrzebne jest jedynie 2 do 3 kWh energii elektrycznej. W ten sposób podnosimy wartość opałową biomasy od 170 do 250 kWh na 1 metr przestrzenny.

 

5.5.3 Suszarnie bębnowe

 

Suszarki bębnowe są wykorzystywane w procesie suszenia materiałów sypkich. Jest to tradycyjne rozwiązanie, najczęściej z bezpośrednim lub pośrednim podgrzewaniem surowca. W suszarniach bezpośredniego działania - obracający się poziomy bęben z łopatkami po wewnętrznej stronie pozwala na stałe przesypywanie podawanych trocin w  kierunku do położonego z  drugiej strony wentylatora. Gorące powietrze ze spalinami o temperaturze ok. 400°C wdmuchiwane jest w tym samym kierunku z pieca powietrznego, bezpośrednio do bębna. Strumień powietrzno-spalinowy oraz lekkie, suche trociny wyciągane są pneumatycznie wentylatorem i odseparowane w cyklonach.  Głównym minusem bezpośrednich suszarni bębnowych jest tendencja do mineralizacji trocin. Ciemne przebarwienia trocin związane są z osadzaniem się na nich spalin, ale również są efektem utleniania na skutek podawania zbyt wysokiej temperatury. Zbyt wysoka temperatura powoduje powierzchniowe utwardzanie się trocin, hamujące uwalnianie ligniny. Pelety z takiego surowca będą ciemne i mniej spoiste, pozbawione mocnego połysku. Współczesne, nowoczesne suszarnie bębnowe pozwalają na pełną kontrolę nad wszystkimi procesami mającymi wpływ na jakość i szybkość suszenia. Komputerowe symulacje pozwoliły na eliminacje błędów konstrukcyjnych. Modyfikacje idą w kierunku regulacji prędkości przesuwania trocin w poszczególnych sekcjach bębna, budowaniu bębnów wielociągowych, rozbudowie sterowania (temperatura spalin, prędkość podawania trocin, prędkość obrotów bębna oraz praca wentylatora wyciągowego i nadmuchowego). Zastosowanie wielociągowych rozwiązań w  konstrukcji bębnów wydłuża drogę suszenia trocin,  pozwala na obniżenie temperatury podawanych spalin i  powietrza, różnicuje warunki suszenia. Zwiększa się dzięki temu bezpieczeństwo użytkowania i  podwyższa jakość trocin. Unika się w ten sposób wielu mankamentów tradycyjnej bębnówki, m. in. zapłonów trocin. Na rysunku poniżej pokazano przykład takiej suszarni

ozebio58.jpg

Rys. Suszarnia bębnowa

 

Suszarnia bębnowa do biomasy M-829

Zasada działania : Suszony materiał, za pomocą podajnika surowca połączonego ze ślimakiem dozującym, poprzez łącznik załadowczy suszarni dostaje się do bębna suszarniczego, gdzie następuje właściwy proces suszenia materiału. Obrotowy ruch bębna powoduje rozprzestrzenienie suszonego materiału w bębnie oraz jego przemieszczenie w kierunku wylotu. Utrata wilgotności surowca następuje poprzez bezpośredni styk suszonego materiału z mieszaniną gorącego powietrza i gazów spalinowych.
Wysuszony materiał dzięki ślimakowej budowie bębna oraz strumieniowi czynnika suszącego wytwarzanemu przez promieniowy wentylator główny suszarni, wyrywany jest z bębna i wpada do komory rozładowczej, gdzie po wytraceniu prędkości spada na dno komory. Następnie ślimakiem wysypowym, w zależności od przeznaczenia, transportowany jest na zewnątrz bądź do rozdrabniacza bijakowego, gdzie następuje jego rozdrobnienie na pożądane frakcje. Poprzez cyklon główny i komin suszarni, po oczyszczeniu z drobnych lotnych części, czynnik suszący wraz z parą wodną wyprowadzany jest do atmosfery.

ozebio59.jpg

Fot. Suszarnia bębnowa M-829

 

Charakterystyka techniczna suszarni M-829

Wydajność nominalna suszarni przy suszeniu trociny czy innych biomas o wilgotności początkowej 45-50 % i końcowej 15 %

1000 kg/h

Ilość odparowanej wody

1100 kg/h

Moc cieplna pieca

max 1000 kW

Maksymalna temperatura powietrza suszącego na wejściu bębna

600-650 °C

Średnie zużycie opału:

węgiel kamienny lub paliwo o kaloryczności zbliżonej do węgla

200 kg/h

wysoko kaloryczny brykiet z trocin

250-300 kg/h

gaz ziemny GZ-50

110-120 m3/h

olej opałowy

95 l/h

Łączna moc elektryczna zainstalowana

17 kW

Łączna masa suszarni wraz z izolacją szamotową

16500 kg

Suszarki bębnowe pośredniego działania - Zastosowanie wymienników ciepła – powietrznych lub parowych – pozwala na uzyskanie w  suszarniach bębnowych lepszych jakościowo trocin i zrębek. W suszarniach po- średnich nie występują  problemy z mineralizacją i przegrzaniem surowca w  czasie suszenia. Podawana jest niższa temperatura, różna w  zależności od rodzaju użytego medium. Stosunkowo prostym rozwiązaniem,  usprawniającym działanie  tradycyjnych bębnówek, jest umieszczanie pomiędzy piecem a  suszarnią powietrznego wymiennika ciepła. Do bębna suszarni  wtłaczane jest wówczas czyste, podgrzane powietrze z wymiennika nie zawierające spalin. W zależności od rozwiązania może ono osiągać temperaturę nawet powyżej 300°C. Temperaturę około 180°C może dać para wodna. Steam Tube Rotary Dryer to rozwiązanie bardzo popularne w Austrii krainy DIN PLUS.

ozebio60.jpg

Rys. Suszarka bębnowa pośredniego działania z wymiennikiem ciepła parowym.

 

 Wymaga ona innej konstrukcji bębna suszarni. W przypadku suszenia trocin i zrębki kilkuwarstwowa wiązka rur montowana jest obwodowo od wewnętrznej strony bębna (rys. powyżej). Trociny przesypują się bezpośrednio pomiędzy gorącymi rurami. Istnieją również mniej popularne konstrukcje, w których stanowi ona ruchomy wewnętrzny wirnik suszarni. Para wpuszczana i  odbierana jest przez centralne zawory umożliwiające rotację bębna. Rozwiązanie wymaga instalacji kotła parowego. Bębnowe suszarnie parowe to bardzo dobre rozwiązanie pozwalające na pełną kontrolę temperatury, odzysk ciepła pary, bardzo dobrą jakość trocin. Na rynku peletów jasne posiadają wyższą cenę. Warto w związku z tym montować suszarnie z pośrednim źródłem ciepła. W przypadku zastosowania wodnego wymiennika, pozwalającego uzyskać temperaturę ok. 100°C, wymagany jest znacznie dłuższy obieg trocin. Z punktu widzenia suszenia biomasy nie ma on uzasadnienia.

 

5.5.4 Suszarnie taśmowe trocin i zrębki Istota rozwiązania sprowadza się do budowania jedno- lub wielopoziomowych tuneli z  surowcem systematycznie nasypywanym na przesuwającą się, perforowaną taśmę stalową. W  wielu punktach tuneli nadmuchiwane jest na nią z  góry lub z dołu gorące powietrze. Złoże może być dodatkowo wzbudzane, dzięki ruchom wibracyjnym taśmy. Główną zaletą suszarni taśmowych jest możliwość znacznego wydłużenia drogi suszenia oraz bezpośredni przedmuch gorącego powietrza przez złoże trocin czy zrębki. Pozwala to na obniżenie temperatury suszenia, dzięki czemu wzrasta jakość suszonego surowca. Wibracyjno-taśmowy przesuw trocin daje możliwość połączenie suszenia z segregacją i czyszczeniem.

Rys. Suszarnia taśmowa

1 – zasyp surowca, 2 – komin, 3 – dopływ powietrza, 4 – rurowy wymiennik ciepła, 5 – odbiór wysuszonej biomasy

 

 

 

 

 

 

ozebio61.jpg

 

5.5.5 Suszarnie pneumatyczne (strumieniowe)
Zasada działania tego typu suszarni polega na tym, że materiał wprowadzany jest do rurociągu, gdzie zostaje porwany przez przepływający czynnik suszący (gorące powietrze, para wodna). Proces suszenia przebiega wzdłuż całej drogi transportu biomasy w rurociągu, co ilustruje rysunek poniżej.

 

Rys. Suszarka pneumatyczna (strumieniowa) 1 – dopływ powietrza, 2 – nagrzewnica, 3 – przenośnik ślimakowy, 4 – rurociąg suszący,
5 – dopływ czynnika wilgotnego, 6 –

filtr, 7 – odbiór materiału, 8 – odprowadzenie powietrza, 9 – zbiornik materiału

 

Gorący czynnik roboczy jest częściowo ponownie wykorzystywany (recyrkulacja), co obniża koszty eksploatacyjne całej instalacji.
Ze względu na krótki czas kontaktu biomasy z czynnikiem suszącym najlepiej suszą się materiały mające następujące cechy: łatwo przesypujące się, nielepkie, szybko schnące, o małych średnicach cząstek, do 2 mm. Suszarnie pneumatyczne charakteryzują się:
- krótkim czasem kontaktu materiału z czynnikiem suszącym,

- mają współprądowy przepływ materiału i czynnika suszącego,
- umożliwiają stosowanie wysokich temperatur na wlocie urządzenia,
- mają możliwość wykorzystania suszarki jako przenośnika suszonej biomasy,
- charakteryzują się małą powierzchnią zabudowy,
- cechują się łatwością kontroli i zmiany parametrów czynnika suszącego.
Do wad suszarni pneumatycznych możemy zaliczyć:
- konieczność stosowania wysoko sprawnych urządzeń odpylających,
- skomplikowany dobór urządzeń suszących ze względu na złożony charakter
procesu i zmienne parametry wilgotnościowe czynnika suszącego.
Cechą charakterystyczną suszarni pneumatycznych jest wysoka intensywność wymiany ciepła i masy pomiędzy materiałem wilgotnym a czynnikiem suszącym, ze względu na dużą prędkość przepływu gazu suszącego, a co za tym idzie, znaczne rozwinięcie powierzchni materiału suszonego.

 

5.5.6 Suszarnie fluidalne

 

Interesującą  propozycją są wkraczające na rynek suszarnie fluidalne. Od strumieniowych różnią się tym, że podawany wstępnie surowiec porywany jest przez słabszy strumień powietrza dopiero wówczas, gdy  spada jego ciężar wskutek odparowania wody. Wcześniej opadając na dno sita, przez które nadmuchiwane jest powietrze, tworzy tzw. złoże fluidyzacyjne. Odpowiednie ciśnienie wtłaczanego powietrza unosi nieco złoże nad powierzchnię sita. W  miarę wysychania trocin zaczynają one cyrkulować (proces przypomina wrzenie wody). Wysuszone drobiny stopniowo stają się lżejsze, dzięki czemu zostają ostatecznie porwane przez gorące powietrze i oddzielone od niego w  cyklonach. Suszarnie te występują zarówno w wersji poziomej, przypominającej  trochę suszarnie taśmowe, jak i  w  wersji kolumnowej. Suszarnie fluidalne czy fluidyzacyjne pozwalają na szybkie i wydajne odparowanie wody z  trocin. Różne warianty podawania powietrza (np. pulsacyjne, fontannowe) wraz z  różnym sposobem wibracji sita mogą dodatkowo wspomagać proces fluidyzacji. Zaletą jest naturalne w tym systemie czyszczenie surowca z  części mineralnych takich jak kamienie, które opadają na dno sita i mogą być automatycznie odseparowane. Podobnie większe frakcje zrębki czy kawałki drewna mogą być odprowadzane do spalania lub rozdrabniania. Część zużytego gorącego powietrza można ponownie użyć do suszenia

Rys. Suszarka fluidalna 1 – doprowadzenie czynnika suszącego, 2 – odprowadzenie czynnika suszącego, 3 – doprowadzenie materiału wilgotnego, 4 – odprowadzenie materiału wilgotnego

 

 Jednak obok zalet mają również swoje wady. Mogą być stosowane głównie do materiałów o krótkim pierwszym okresie suszenia. Nie są odpowiednie do materiałów o dużej wilgotności lub charakteryzujących się dużym zakresem rozmiarów cząstek.

 

Rys. Suszarka fluidalna (ang. fluid bed dryer)

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});