Увеличение энергоэффективности установок сушки пеллет

сушильные установки вихревого типа; установки сушки в кипящем слое [9]. Несмотря на то, что применяемое оборудование разнообразно по физическому принципу действия, промышленные установки функционируют, как правило, с однократным прохождением сушильного агента. Это приводит к загрязнению окружающей среды продуктами сушки, содержащими не только влагу, но и летучие вещества, кроме того, это не всегда эффективно с экономической точки зрения. В мобильных установках, где производства сушильного агента (топочных газов) осуществляется за счет сжигания до 50% исходного сырья, является на наш взгляд весьма расточительным. Хорошо описанные в литературе системы с частичной или полной рециркуляцией сушильного агента используется относительно редко. В тоже время для сушки гранулированного топлива требуется так называемые мягкие режимы: температура сушильного агента не выше 1400С и влажность конечного продукта 12%. Наиболее эффективными, с нашей точки зрения применительно к установкам сушки пеллет, это сушильные установки с частичной рециркуляцией и регенерации тепла с использованием тепловых труб и теплонасосных агрегатов (рис. 1).

Использование тепловых труб позволяет передать тепло от отводимого сушильного агента, имеющего температуру 120-1350С, части циркулирующего газа. Этот вид теплообменника необходим для обеспечения возможности функционирования фреоновых тепловых насосов, имеющих максимальную температуру нагреваемой среды не выше 1200С, что связанно с особенностью теплоносителя. Таким образом, теплообменник на тепловых трубах должен понизить температуру сушильного агента до 901000С, что сделает эффективность тепловых насосов.

Рис. 1. Комбинированная схема сушильной установки с частичной рециркуляцией

Следующим важным фактором в повышении энергоэффективности сушильных установок является уменьшение времени процесса сушки. В процессе сушки влажных материалов нужно учитывать не только форму связи влаги с материалом, но и режим сушки. В настоящее время распространены три связи - химическая, физико-химическая и физико-механическая [1,2, 5].

В процессе сушки влага будет перемещаться от внутренних слоев к поверхности опилок, а в дальнейшем испаряться в атмосферу. При анализе процессов сушки пользуются понятиями интенсивности I и скорости сушки N . По формуле Дальтона можно определить интенсивность испарения жидкости со свободной поверхности при стационарном режиме [2, 6,10]:

I = — = (р_п — р_г) , ......кг/(м² с)       (1)

где W - количество испаренной жидкости, кг; F - поверхность испарения, м²; т - время, с; в_Р — коэффициент массотдачи, отнесенной к разности парциальных давлений, кг влаги (мтЧ 1а); р п -парциальное давление диффундирующего вещества над жидкой (твердой поверхностью), Па; р с - парциальное давление диффундирующего вещества вдали от поверхности раздела фаз, Па.

Для приближенных расчетов можно использовать формулу:

2 = "■^(р.-рД, кг/(м2^с)   (2)

где го - скорость воздуха, м/с;

Для расчета испаренной жидкости используем следующую формулу

• ¹    — .^ПР::   РД, кг/(м²^с)          (3)

где в с - коэффициент массоотдачи, отнесенный к разности концентрации диффундирующего вещества, м/с; р п и р с - концентрации диффундирующего вещества на жидкой (твердой) поверхности раздела фаз и вдали от поверхности раздела фаз, кг/м³.

В свою очередь коэффициент массотдачи в с и в р связаны соотношением

Между количеством испаренной жидкости и количеством затраченного тепла имеется следующая зависимость:

q = / ■ v = сШ- - r-j, д;1< (м-ДС)      (5)

где r -удельная теплота испарения, Дж/кг; а -коэффициент теплообмена, Дж/(м²ю^⁰С); t_c , t_n -температуры окружающей среды и поверхности испарения, ⁰С.

Процессы сушки можно условно разделить на характерные периоды: период прогрева, период постоянной скорости испарения (для него характерна наибольшая скорость испарения влаги), период падающей скорости сушки. В период постоянной скорости сушки температура материала постоянна dt/dτ=0, скорость диффузии влаги к поверхности равна скорости испарения , тепло, необходимое для испарения влаги, отбирается от окружающего сушильного агента путем теплообмена конвекцией и в ряде случаев излучением. Интенсивность испарения I в этом случае прямо пропорциональна плотности потока тепла на поверхности тела.

q N    Р (йш\ Ry Р

- = ---- * Rat - ~ I --- I-- г 100    г \dr/100 г

где N= (dw/dr) - скорость сушки в периоде постоянной скорости, Rv= V/F - отношение объема тела к его поверхности, м; р — плотность абсолютно сухого материала, кг/м³.

Закон термовлагопроводности, согласно которому влага в материале перемещается по направлению теплового потока, а газ в противоположную сторону, был открыт А. В. Лыковым [6]. Так, при сушке влага в материале может перемещаться к его поверхности под действием разности ее концентрации, под влиянием термо- влагопроводности и под действием градиента избыточного давления (при температуре материала, близкой или большей 100°С, наблюдается фильтрационный перенос [2]). В общем виде уравнение переноса массы при сушке материала может быть записано следующим образом:

ди        dt др i---«^-l«^-^:^ (7)

где I m - количество жидкости, переместившееся внутри тела в единицу времени через единицу поверхности, кг/(м²-ч); а т - коэффициент потен-циалопроводности (определяется экспериментально для конкретного материала), м²/ч; и - концентрация влаги, кг/кг; х - координата, м; р_о - плотность абсолютно сухого материала, кг/м³;

• 5 - термоградиентный коэффициент, 1/°С (определяется экспериментально для конкретного

материала); а р - коэффициент фильтрационного переноса, м²/ч, Н/м² (определяется экспериментально для конкретного материала); ди/дх, dt/dx и др/дх - частные производные, пропорциональные градиентам влажности, температуры и давления.

Ряд исследователей [1, 4] отмечают, что при охлаждении материала изменяется величина и направление температурного градиента. Это приводит к тому, что термовлагопроводность будет способствовать движению влаги от центра к периферии. В этой связи интересны результаты, приведенные в работах [1, 3, 4]. С целью интенсификации сушки может оказаться целесообразно использовать режим с промежуточным нагревом и охлаждением. Схема установки реализующей осциллирующий режим приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема сушильной установки с частичной рециркуляцией, утилизацией тепла и блоком, обеспечивающим нестационарный (осциллирующий) режим

Исследование проводилось методом мате-магического моделирования. Использовали систему уравнений:

∂ u

= α ∂ τ

∂2u             ∂2T m ⋅ρ⋅     +αm ⋅ρ⋅δ⋅

∂ x ²              ∂ x ²

∂ T

∂ ² T     r ∂ u

= α + ε ⋅  ⋅

∂ τ    ∂ x ²      c ∂ τ

Масса удаляемой влаги

∂u          ∂T mB =-D⋅ρ⋅   -D⋅δ⋅ρ⋅

∂ x          ∂ x

где: T - температура, и - влагосодержание, х -текущая координата, a - температуропроводность, а т - коэффициент диффузии, r - скрытая теплота парообразования, е - критерий испарения: е =0 при диффузии влаги и е =1 при диффузии пара, т -время, 5 - коэффициент термодиффузии, с - теплоёмкость.

Численное решение системы уравнений (8)-(9) позволяет определять скорость удаления влаги и распределение влаги по сечению тела (рис. 3). Результаты математического моделирования показали, что при периодической подаче сушильного агента с неизменной температурой возможна интенсификация процесса. Наличие перегиба в кривой влажности на поверхности тела показывает наличие локально оптимума. Таким образом, нестационарные режимы сушки могут увеличить интенсивность процесса, а в некоторых случаях и улучшить качество получаемого продукта. Определение оптимальных периодов сушки выходит за рамки данной стати и является темой дальнейшего исследования.

Учитывая среднюю цену при реализации пеллет на январь 2013 г. в 5 тыс. руб. за тонну, при этом на технологический процесс уходит порядка 500-600 кг древесных отходов в качестве топлива. Снижение прямых энергозатрат является весьма актуальной проблемой. Для оптимизации энергозатрат предложено использование

комбинированного утилизатора тепла, включающего в отличие от ранее известных комбинацию тепловых труб и теплого насоса с одновременной реализацией пульсирующего режима сушки. По нашим оценкам использование предложенной методики позволит снизить энергозатраты на 30-35%, что эквивалентно к выходу дополнительной продукции в размере не менее 200-250 кг пеллет. Разработанный автором процесс осциллирующий сушки с частичной рециркуляции тепла позволяет уменьшить до минимума выброс летучих продуктов удаления влаги, что исключительно положительно складывается на параметрах производства.

Рис. 3. Распределение влагосодержания по сечению и времени