Suška na biomasu

Úvod

Při spalování biomasy s vysokým obsahem vody dochází k velkému uvolňování vodních par, které ochlazují kotlové těleso a zhoršují tak podmínky nezbytné pro funkční spalování. Zkondenzovaná pára navíc reaguje s uhlíkatými složkami, dehtuje a to má velmi negativní vliv na efektivní tepelnou výměnu jednotlivých teplosměnných ploch. Snižuje tepelný výkon kotle, jeho účinnost a může ochladit kotlové těleso natolik, že se proces hoření zcela zastaví. Z těchto důvodů je velice výhodné biomasu před spálením zbavit části obsahu vody v sušicím zařízení, kde se množství vlhkosti sníží na přijatelnou mez.

Přínos sušky

V procesu sušení se jedná o snižování podílu vlhkosti v palivu za pomoci přívodu tepla. Vlhkost je odstraňována vlivem vypařování nebo sublimací. Pokles vlhkosti v palivu má několik nezanedbatelných výhod, mezi které patří zejména zvyšování kalorické hodnoty paliva, schopnost lepšího vzněcování a snazší hoření dosahující vyšších teplot. Méně vlhkosti v palivu také představuje menší množství spalin a nároky kladené na spalinový systém a výrazné zmenšení komínové ztráty, která je významným faktorem ovlivňujícím účinnost teplárny či závodu.

Procesy probíhající uvnitř sušek jsou kombinací přenosu tepla (sušenému materiálu) a přenosu hmoty (odvod vlhkosti). Při výběru vhodného typu sušky, slouží zejména informace o sušené látce, požadované kapacitě, tepelném výkonu a režimu provozu sušárny. Pro sušení biomasy určené ke spalování při centralizovaném zásobování teplem a elektrickou energií se dle existujících konstrukčních uspořádání jeví jako nejvhodnější varianta použití rotačních bubnových sušáren několika typů. Především se jedná o konduktivní a konvektivní uspořádání.

Konduktivní

Jedná se o kontaktní způsob sušení, kde přenos tepla je umožněn přímým kontaktem sušeného materiálu a kontaktní plochy, která je nejčastěji otápěna párou. U takto řešených sušáren je výrazně snížen tepelný odpor oproti konvektivním sušárnám. Úkolem sušícího média je jen odvod vlhkosti od sušeného materiálu. Sušení u takto koncipovaných zařízení umožňuje využití i nízko potenciálního tepla za využití podtlaku. I při vysoké relativní vlhkosti sušícího media může být dostatečný rozdíl parciálních tlaků vodní páry mezi povrchem materiálu a v sušícím mediu.

Konvektivní

Přenos tepla a hmoty je zajištěn sušícím prostředím, kterým může být teplý vzduch nebo spaliny. Úkolem sušícího média je odvod vlhkosti od sušeného materiálu a zároveň slouží jako teplonosné médium, které prochází vrstvou sušené biomasy.

V teplárenských závodech, kde například úbytkem odběratelů klesla produkce páry, přináší zapojení sušky konduktivního typu do stávající koncepce závodu výhodu v možnosti navýšit parní výkon kotlů, admisní páru co možná nejvíce využít na výrobu elektrické energie, a pak ji z regulovaného odběru u kondenzačních turbin nebo na úrovni protitlaku u protitlakých turbin využít jako teplonosné médium v sušce. Díky této koncepci instalace sušky přináší i nemalé ekonomické výhody. Možnost navýšit výkon je možné i v případě, že závod nedisponuje dostatečnou chladící kapacitou, neboť sušící zařízení slouží zároveň jako kondenzátor a zkondenzovanou páru přes ventil potrubím vrací zpět do oběhu jako napájecí vodu.

Charakteristika spalované biomasy

Biomasou využívanou pro spalování v teplárenských provozech se v tomto případě rozumí kůra a dřevní štěpka. Její vlhkost lze pak vyjadřovat jako hmotnostní procento vody k celkové hmotnosti vlhkého dřeva. V dřevařském průmyslu se však vlhkost dřeva a ostatních biopaliv například vyjadřuje jako hmotnostní procento vody k hmotnosti suchého dřeva. Při takovémto způsobu vyjádření pak může vyjít vlhkost i vyšší než 100 %. Například při 60 % vlhkosti (to je stále ještě reálně a běžně se vyskytující hodnota) vychází podle "dřevařského" vzorce hodnota vlhkosti 150 %. Proto je nutné stanovit pravidlo, kterým bude vlhkost vyjadřována. Je stanoveno, že v energetickém průmyslu je vlhkost vyjadřována dle prvního způsobu. Na obrázku je znázorněna závislost výhřevnosti dřevní štěpky na její vlhkosti.

V současné době není žádná komerčně využívaná suška na dřevní štěpku v provozu a nejsou dosud známy charakteristiky tohoto paliva. Nejsou známy například energie vazby mezi vodou a skeletem, fyzikálně mechanické a chemické vazby, jako například adsorpce molekul vody na povrch pórů ani difůze vody buněčnými stěnami. Není tedy možné stanovit množství tepla potřebného pro vysušení jednoho kilogramu vody obsažené v biomase a tedy není možné nadimenzovat sušku na vysušení potřebného množství biomasy bez předešlého provedení měření na experimentálním zařízení.

Početní návrh sušky

Pro výpočet a následný konstrukční návrh bylo nutné provést měření umožňující charakterizovat sušený materiál a experiment, na základě kterého by bylo možno vyčíslit důležité veličiny. Díky možnosti provést experimentální měření ve školních laboratořích na Julisce, kde je umístěn prototyp kontaktní (konduktivní) válcové sušičky s parou vytápěnými a rotačně uloženými trubkami, bylo možné zjistit zejména měrnou odpařivost plošnou (množství odpařené vody vztažené na jednotku vyhřívané plochy), měrnou odpařivost objemovou (množství odpařené vody vztažené na objem rotačního bubnu) a měrné teplo potřebné k odpaření 1kg vody obsažené v palivu.

Průběh experimentu

Před samotným započetím sušení bylo nutné odvážit množství sušené biomasy. Pro zajištění dobrého promíchávání paliva uvnitř bubnu se zvolilo zaplnění 36 % celkového objemu sušičky. Biomasa před úmyslným navýšením její vlhkosti obsahovala dle laboratorního měření již 37 % vlhkosti, dále pak přidáním vody a uplynutím doby potřebné pro její absorpci biomasou vzrostla vlhkost na 68 %.Průběh měření a výsledky z něj se zaznamenaly po intervalech jedné a dvou hodin měření , viz. tabulka 1.

Z naměřených údajů a známé geometrie experimentální sušky se určila teplo-směnná plocha, sušící prostor a následně jednoduchým přepočítáním měrná odpařivost plošná a objemová.

Jak je z tabulky 2 patrné, měrné odpřivosti nejsou konstantami, nýbrž v průběhu sušícího procesu klesají.

Výpočet a dimenzování sušky

Postup výpočtu byl sestavován tak, aby ze zadávaných geometrických rozměrů vnitřního prostoru sušičky a konstant zmíněných v předchozí části, bylo možné dopočítávat množství vysušené biomasy, které bylo zadavatelem stanoveno na mez 30-ti [tun/hod]. Zaplnění bubnu bylo uvažováno do 50 % jeho objemu. Samozřejmě pokud by stávající technologie umožňovaly postavit sušičku větší, mohlo by se uvažovat nižší zaplnění bubnu a tím i vyšší vysušení stejného množství paliva. Tím by se zvýšila kvalita a výhřevnost paliva.

Vyhodnocení

Celková velikost sušičky byla navrhována přes dvě kritéria, kterými jsou, jak bylo již dříve řečeno, plošná a objemová měrná odpařivost. Jak je z tabulky 4 patrné,na základě jejich rozdílných hodnot se i výstupní vlhkost vsázky výrazně lišila. Bylo nutné upravit vnitřní prostor sušičky tak, aby se hodnoty výstupních vlhkostí obou návrhů příliš nerozcházely. Toho bylo docíleno zvětšením vytápěné sušící plochy a to přidáním a optimalizováním promíchávacích lopatek uvnitř bubnu. Pro zajištění maximální funkčnosti zařízení nebylo možné navyšovat výhřevnou plochu bez omezení. Zejména proto, aby se míchaná biomasa bez potíží dostala do mezilopatkového prostoru a nevytvářela klenby.

I přes veškeré úpravy se nepodařilo obě varianty k sobě přiblížit a jako výrazně účinnější se jeví varianta počítaná přes měrnou odpařivost objemovou. Díky těmto výrazným rozdílům ve schopnosti vysušení požadovaného množství biomasy je patrné, že experimentálně získaná kritéria nejsou na reálná množství biomasy přenositelná. Není možné přiklonit se ani na jednu z variant a je tedy zapotřebí dané výsledky zprůměrovat a částečně i odhadnout. Tím byla stanovena míra vysušení z 62 % na 47 % vlhkosti při navržených rozměrech sušky o průměru 3,5 metru a délce 28 metrů. Pro odsušení požadovaného množství biomasy pak bylo zapotřebí dodávat 14 tun/hod páry.

Použitá literatura

• 1 UTĚŠIL, T. (2009): Návrh využití přebytku tepelného výkonu pro potřeby sušení biopaliva-Diplomová práce, Praha, 61 s.
• 2 IBLER, Zdeněk., Technický průvodce energetika 1. Vydání.Praha : BEN,2002.ISBN 80-7300-026-1.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu