Системи за сушене и обезводняване на биомаса

Биомасата е сред широко достъпните и лесно използваеми възобновяеми източници на енергия. Счита се за екологично чисто гориво, допринасящо за намаляване на изхвърляните в атмосферата емисии от парникови газове. Също така, голяма част от използваната като енергиен източник биомаса представлява отпадъчен продукт от друг вид производство - отпадни продукти от дървообработващата промишленост като талаш и дървесни стърготини, отпадна биомаса от хранително-вкусовата промишленост, селското стопанство и т. н. Повторното използване решава проблема с необходимостта от депониране на тези отпадъци. Освен отпадъци, за получаване на биомаса се използват и бързо растящи дървесни видове с твърда дървесина и маслодайни култури. Към биомасата се включват и някои твърди промишлени отпадъци като масла и мазнини от растителен и животински произход, както и част от битовите отпадъци, които съдържат значителна част от добивания от растения органичен материал, който е ресурс за добив на възобновяема енергия.

Съдържанието на влага определя качеството на биогоривата

В зависимост от вида и характеристиките на биомасата тя може да се използва директно като гориво или като суровина за производството на друг вид твърди, течни или газообразни горива като пелети, етанол, биодизел и т. н. Сред факторите, определящи до голяма степен качеството на горивата, получени при преработването на биомасата, както и на директно използваната суровина, е нейната влажност. Обикновено влажността на изходната суровина значително превишава допустимата, поради което се препоръчва подлагането й на предварително равномерно изсушаване. Наличието на излишна влага в изходната суровина може да е причина за възникването на някои проблеми в процеса на преработка на биомасата. При използването на биомаса за котелни инсталации предварителното й изсушаване подобрява ефективността на горенето, повишава производството на пара, обикновено намалява емисиите от вредни вещества и подобрява работата на котела. Например при изгарянето на дървесен чипс със съдържание на влага от около 45%, максималната ефективност на стандартен котел е около 74%. Ако в този котел се изгаря суха дървесина с влагосъдържание в границите от около 10 докъм 15%, ефективността може да се повиши до около 80%. От друга страна при използването на биомаса с голямо съдържание на влага може да се окаже трудно поддържането на горенето. Съдържанието на влага в биомасата е от решаващо значение и за протичането на процесите, свързани с преработката на биомасата като процеса на газификация на биомасата и при производството на пелети.

Влиянието на влажността на биомасата върху процесите на директно изгаряне или преработка налага предварително обработване на биомасата и намаляване на съдържанието на влага в нея до подходящи нива. Обикновено максималното процентно съдържание на влага се определя в зависимост от процеса на последваща обработка. Например при обработването на биомасата в газификатори с низходящ поток (downdraft fixed bed gasifiers) процентното съдържание на влага в биомасата е необходимо да не превишава 20 - 30%. При използването на газификатори с възходящ поток (updraft fixed bed gasifiers) биомасата може да е с влажност до около 50%. При използването на биомасата за производство на пелети обикновено се изисква влажността на суровината да не превишава 15%.

Сушилни инсталации за биомаса

За сушенето на биомасата се използват различни по конструкция сушилни. Сред често използваните са: барабанните сушилни, еднолентовите и многолентовите сушилни, пневматичните сушилни, сушилните, работещи с прегрята пара, микровълновите сушилни. Изборът на подходяща сушилна инсталация зависи от много фактори включително размера и характеристиките на изходната суровина, капиталовите разходи, изискванията, свързани с работата на инсталацията и поддръжката, енергийната ефективност, наличието на отпадна топлина и т. н.

Сушилните инсталации могат да се класифицират по различни признаци. Сред най-често използваните са налягането на сушилния агент, състоянието на влажния материал, формата на твърдите материали, начинът на подаване на топлина.

В зависимост от налягането на сушилния агент сушилните инсталации обикновено се делят на сушилни с атмосферно налягане и вакуум сушилни. Предимство на сушенето на биомаса във вакуум сушилни е, че поради по-ниската точка на кипене на водата се намалява и необходимата за сушенето температура, което позволява използването на отпадна топлина. От друга страна капиталовите разходи са по-високи.

В зависимост от състоянието на влажния материал сушилните инсталации обикновено се делят на сушилни, предназначени за сушене на твърди материали, за сушене на разтвори, пасти и суспензии. В зависимост от формата на твърдите материали биват сушилни за прахообразни и зърнести материали, за листови материали. В зависимост от начина, по който се изпълнява сушилният процес във времето се различават сушилни с непрекъснато действие и сушилни с прекъснато периодично действие. В зависимост от начина на подаване на топлина към материала сушилните инсталации се делят на

конвективни, контактни и радиационни

Конвективните сушилни са сред най-разпространените в практиката. Сушилният агент при тях се загрява преди да постъпи в сушилната камера и по конвективен път пренася топлинната енергия до влажния материал. По този начин сушилният агент се явява и енергоносител, поради което този вид сушилни са предпочитани. Обикновено като сушилни агенти се използват различни газове, тъй като когато сушенето протича в газова среда, едновременно се създават условия за пренасяне на топлинна енергия до влажния материал и за отвеждане на влагата. Като сушилни агенти могат да се използват атмосферен въздух, инертни газове, прегрята пара, горивни газове и други. Сред най-често използваните е атмосферният въздух, тъй като той е безвреден, леснодостъпен, може да бъде загряван до много високи температури и т. н. В случаите, в които не се допуска съприкосновение на влажния материал с кислорода от въздуха или се отделят огнеопасни пари при сушенето, като сушилен агент се препоръчва използването на инертни газове или прегрята водна пара.

Контактните сушилни се използват за сушене на материали, които имат удобни контактни повърхности, тъй като при тях топлинната енергия се подава на материала посредством нагрята повърхност, с която той контактува.

При радиационните сушилни пренасянето на топлинната енергия до материала е чрез лъчист поток. За тази цел сушилната камера е оборудвана с излъчватели, които се нагряват до висока температура и облъчват влажния материал. Към групата на радиационните сушилни се включват високочестотните и акустичните сушилни.

Освен сушенето в специални сушилни инсталации, част от биомасата може да бъде изсушавана и на открито. След изсушаването съдържанието на влага обикновено варира в границите от около 15 до 35% в зависимост от размера и характеристиките на материала и атмосферните условия. Сушенето на открито е бавен процес и зависи от метеорологичните условия. Счита се за подходящо за сушене на биомаса с невисоко съдържание на влага.

При малки количества на биомасата могат да се използват силози с перфорирани подове, където биомасата се суши на купчини. За сушенето се използват горещи газове, които се подават през перфорирания под към биомасата. След изсушаването се препоръчва разбъркване на суровината за достигане на равномерна влажност.

Камерни и лентови сушилни

Често използвани сушилни инсталации са камерните и лентовите, които се причисляват към групата на конвективните сушилни.

Камерните сушилни инсталации са периодично действащи. При тях материалът от началото на сушилния процес до края е разположен неподвижно в камерата върху транспортни устройства. За транспортиране на влажния материал обикновено се използват колички, стелажи и други. Основен конструктивен елемент на тези сушилни е камерата, която може да бъде метална (сглобяема или неразглобяема) или неметални (тухлна, панелна и други). При този вид сушилни камерата изпълнява функциите на топлоизолирно заграждение и на носеща конструкция.

Основен показател за работата на сушилнята е равномерното изсушаване на материала. За да се постигне, е необходимо да се осигури равномерна циркулация на сушилния агент и периодична промяна на посоката му, както и изсушаваният материал да бъде подреден по подходящ начин. В някои случаи по различни причини се получава голяма неравномерност на изсушаване, която може да доведе до висок процент брак.

Камерните сушилни са подходящи да се използват за сушене на неголеми количества влажен материал. В тях могат да се реализират сложни режими на сушене, изискващи честа промяна на температура, скоростта и влагосъдържанието на сушилния агент.

Лентовите сушилни са другият вид сушилни, намиращи широко приложение. Главна особеност на тези сушилни е удълженото сушилно пространство (тунел), в което изсушаваният материал чрез транспортиращи устройства, най-често лентов транспортьор, се премества с периодични прекъсвания. Обикновено се изграждат с монолитна конструкция. Дължината им може да достига до 100 m. С цел намаляване на топлинните загуби, при многотонажните производства се оформят в блокове с общи междинни стени.

В зависимост от броя на лентите, сушилните често се подразделят на еднолентови и многолентови, които освен по броя на лентите се различават и по конструкция. При еднолентовите сушилни, сушилното пространство е оформено като дълъг коридор, разделен на отделни зони, разположени по направление на движение на материала. Влажният материал се подава от единия край на лентовия транспортьор, а изсушеният се събира в другия край. За осигуряването на по-голяма равномерност на изсушаване може да се използват различни начини за подаване на въздух, като например първоначално въздухът може да се подава под слоя от материал, а след това да се пропуска над него. Обикновено отделните междинни зони могат да се различават по посоката на движение на въздуха, неговата температура, влажност и скорост, като във всяка зона е възможно самостоятелно да се променят зададените параметри на въздуха. Осигуряването на циркулацията на въздуха е чрез отделен за всяка зона вентилатор. Нагряване на въздуха обикновено е посредством калорифер.

В еднолентовите сушилни изсъхването на материала е много неравномерно, като в някои случаи част от него може да остане и влажен. От друга страна този тип сушилни се характеризират и с по-голяма дължина. За да се осигури по-добро изсушаване на материала или когато е необходимо да се намали сушилното пространство, се препоръчва използването на многолентови сушилни. При тях в сушилното пространство се разполагат няколко ленти една над друга, а материалът преминава от една лента върху друга. По този начин се осъществява много по-добро обтичане на влажния материал от въздуха, при което процесът на изсушаване се ускорява и се намаляват енергийните разходи за топлина в сравнение с еднолентовите.

Конструкции барабанни сушилни

Характерна особеност на барабанните сушилни е конструкцията на сушилното пространство, което представлява въртящ се барабан. Барабанните сушилни могат да бъдат с различно конструктивно изпълнение като например с движение на сушилния агент в правоток или противоток с определен ъгъл на наклон на барабана. В зависимост от използвания топлоносител барабанните сушилни, използвани в пелетните производства, могат да бъдат разделени на сушилни, използващи като сушилен агент горещи димни газове и сушилни, работещи с топлоносител пара, вода, масло.

Конструкцията на барабанните сушилни включва цилиндричен корпус и опори, на които той е закрепен. Обикновено корпусът е с наклон към страната за разтоварване на изсушения материал.

Като сушилна камера се използва барабан, които представлява кух стоманен цилиндър. Във вътрешността му е разположена лопатъчна система, чрез която изсушаваният материал се размесва непрекъснато. По този начин се осъществява интензивен сушилен процес и равномерно разпределение на материала върху барабана, което осигурява равномерното му нагряване и изсушаване.

При използването на барабанни сушилни, работещи с димни газове, в определени ситуации може да се получи прекомерно загряване на изсушаваната биомаса. Причината обикновено е в прекъсване на захранването на барабана с биомаса при продължаващо подаване на горещи димни газове, както и наличието на зони с прекомерно изсушени или дори овъглени частици. Опасна ситуация може да възникне и при нарушаване режима на работа на пещта следствие от получените продукти от непълно горене.

Барабанните сушилни с индиректно загряване (топлоносителят циркулира в топлообменник) са лишени от тези недостатъци. Тяхно предимство е и по-ниският разход на топлинна енергия. Те са с около 20% по-икономични по отношение на разхода на топлина, което се дължи на организираната рециркулация на топлоносителя. В качеството на топлоносител можа да се използва пара, гореща вода или термомасло. Използването на такъв тип сушилни позволява да се избегнат проблемите, свързани с овъгляването на дървесния материал в процеса на сушене, тъй като температурата на сушене не превишава 140 оС, а екзотермичният разпад на дървесината започва при температура в порядъка от 270 - 280 оС. Също така процесът на сушене протича в противоток, при което се достига по-равномерно изсушаване на материала.

Пневмотранспортни, флуидизационни и аерофонтанни сушилни

За сушенето на биомаса могат да се използват и пневмотранспортни, флуидизационни и аерофонтанни сушилни инсталации.

Сушилното пространство при пневмотранспортните сушилни обикновено е вертикална тръба с дължина до 20 m и диаметър до 1 m, през която преминават изсушаваният материал и сушилният агент. Скоростта на газа в тръбата зависи от едрината и масата на частиците и достига до 35 m/s, а процесът продължава няколко секунди.

Нагряването на въздуха се осъществява чрез калорифер или в случаите, при които се предвижда използването на димен газ към сушилната тръба се присъединява горивна камера. Подаването на влажния материал обикновено е в долната част на тръбата, а отвеждането на изсушения материал се осъществява в горната й част.

От своя страна флуидизационните сушилни инсталации като конструктивно изпълнение се срещат в различни варианти. При една от често срещаните конструкции, сушилното пространство се оформя от камера, в долната част на която се намира решетка. Предназначението й е както правилно да разпределя въздушния поток по цялото сечение на камерата, така и да поддържа слоя при работеща или спряна сушилня. В някои случаи решетките се оформят като сито, което създава възможност при спиране на въздуха дребни частици от материала да пропаднат през отворите. Ако се изсушават материали, склонни към слепване, върху решетката се разполага механична бъркачка за разбиване на агломерати. При необходимост от охлаждане на изсушения материал, в края на решетката се подава студен въздух.

Флуидизационните сушилни се характеризират с висока надеждност и кратък период на сушене, който се постига поради усиленото разбъркване на материала в сушилната камера. Подходящи са не само за сушене, но и за загряване, охлаждане, замразяване, гранулиране и др.

В случаите, при които материалът е с нееднородна структура, т. е. съдържа частици с различна големина, се препоръчва използването на аерофонтанни сушилни. Основното тяхно предимство е възможността да се осигури различно време за обработка на отделните частици. Сушилното им пространство е оформено като конус, а скоростта на въздуха намалява от входа към изхода. По този начин по-едрите и съответно по-влажни частици не могат да напуснат веднага пространството, тъй като са и по-тежки. Това е възможно едва тогава, когато те изсъхнат и масата им стане достатъчно малка. По време на сушилния процес движението на частиците наподобява фонтан, което е дало и името на метода - аерофонтанен. Добре е да се има предвид, че времето, необходимо за изсушаване на материала, е значително по-голямо в сравнение с пневмосушилните и на практика не може да се регулира.

Обезводняване на биомасата

Общата ефективност на сушенето може да бъде повишена чрез предварително обезводняване на суровината. От друга страна обаче използваното за тази цел оборудване консумира значително количество енергия и има високи изисквания по отношение на поддръжката. Обикновено използваното оборудване за обезводняване включва изсушителни полета, филтри, преси, центрофуги. В зависимост от материала и вида на оборудването механичното обезводняващо оборудване принципно може да намали съдържанието на влага с около 50%. На практика обаче това трудно може да се постигне. Пасивните методи за обезводняване като използването на филтърни чували, които са непроницаеми по отношение на дъжда, но позволяват отделяне на влагата, могат да постигнат съдържание на влага по-ниска от 30% при ниски разходи, но процесът изисква дълъг период от време от порядъка на около два-три месеца.