Пожаробезопасная сушилка


Согласно белорусских методических рекомендаций по составлению технико-экономических обоснований для энергосберегающих мероприятий (Комитет по энергоэффективности при Совете Министров Республики Беларусь, от 22.12.2003г.) калорийные эквиваленты для перевода натурального топлива в условное, имеют следующие значения (таблица 1).

Таблица 1 – Средние калорийные (топливные) эквиваленты для перевода натурального топлива в условное

таблица. виды топлива
 

*калорийный эквивалент — переводной коэффициент, определяющий равноценное количество натурального топлива для пересчета по его теплотворной способности в условное топливо. Величина безразмерная.

Как видно из изложенного, чем суше торф, тем он ценнее, что особенно важно не только при его использовании, но и при транспортировке даже на незначительные расстояния. Это же правило относится к другим различным материалам, веществам и т.п.

Однако при традиционной сушке, за счет сжигания органического топлива, различных материалов, веществ, сельскохозяйственных продуктов и урожая периодически происходят полные или частичные разрушения (повреждения) технологического, транспортного и аспирационного оборудования, зданий и сооружений, происходящее в результате пожаров и пыле- и газовоздушных взрывов, вследствие чего полностью или частично прекращается выпуск продукции, прием, переработка и транспортировка зерна и сырья, отпуск готовой продукции. При отклонении от режима технологического процесса хранения и сушки торфа, зерна, маслосемян, происходит загорание, что приводит к выводу из строя сушильного и транспортного оборудования.

Поэтому особенно важно обеспечить пожаробезопасность процесса сушки топливного торфа, поскольку в таких местах его скапливается всегда большое количество, и вот почему.

С точки зрения многих западных аналитиков Россия в ближайшее время может стать крупнейшим экспортером экологически чистых топлив, в первую очередь из торфа.

В России сосредоточенно 47 % мировых запасов торфа. Вся территория Западной Сибири богата этим видом топлива. По существующим оценкам ежегодный прирост торфа в нашей стране оценивается в 260 – 280 млн т, и только 1,1 – 1,2 % от этого количества добывается и используется. Энергетическая ценность запасов торфа в РФ больше, чем аналогичный показатель для нефти и газа вместе взятых [1].

В состав первоочередных к разработке торфяных месторождений включены детально разведанные фонды, отвечающие критериям для промышленной разработки по качеству и количеству торфа со средней глубиной торфяной залежи более 1,5 м.

К запасному и земельному торфяным фондам отнесены месторождения площадью менее 100 га, со средней глубиной торфяной залежи 1,5 м и менее [2].

Таким образом, получение топлив из торфа становится перспективным направлением с точки зрения экспорта топливно-энергетических ресурсов (ТЭР).

Основной технологический передел при добыче торфа — это его сушка.

Однако сушить топливный торф за счет сжигания добытой его части не только крайне не выгодно, — это будет напоминать традиционные технологические регламенты выработки биогаза, когда примерно ⅓ произведенного биометана идет на поддержание температуры в биореакторе, но и небезопасно с пожарной точки зрения.

При добыче торфа (местных видов топлива) необходимо многократно ограничить его сжигание на технологические нужды, при доведении до соответствующей влажности, близкой гигроскопической.

Процесс сушки топливного торфа и других местных видов топлива необходимо отнести к процессу обогащения, как это происходит с углем, когда за счет сортировок, моек и т.д. уголь очищается от примесей. И не важно, что примесью угля являются по преимуществу соли щелочных и редкоземельных металлов, окислы кремния, железа, алюминия и пр., а также минеральная сульфатная сера в соединениях CaSO4 и MgSO4, а у топливного торфа — вода.

Ведь влага (её содержание в добываемом торфе достигает 65 %) и зола, являются примесями балластными и внешними (у пеллет влажность около 10 %, что намного меньше влажности в 25 – 55 %, типичной для древесной щепы).

В процессе сушки повышается удельная теплота сгорания топлива — торфа, дров, щепы (низшая удельная теплота сгорания торфа — 8,4 – 11 МДж/кг, а высшая — 22 – 25 МДж/кг, у дров соответственно 10 и 19 МДж/кг).

В СССР существовали накидки и скидки на оптовые цены на топливный торф в зависимости от его влажности. Так, когда за 1 т фрезерного торфа 40 % влажности оптовая цена в Московской области равнялась 3 рубля (масштаб цен 1970 г) существовали следующие накидки, скидки. За влажность фрезерного торфа против установленного стандарта (+ накидка, – скидка) в %: 33 % влажности + 18,7 %; 35 % + 13,3 %; 37 % + 8 %; 39 % + 2,7; 42 % – 2,4; 44 % – 4,8 %; 46 % – 9,6; 48 % – 16,8 %; 50 % – 24 %.

Для сушки местных видов топлива предлагается использовать энергию солнечных соляных прудов по приведенной на рисунке 1 схеме, разработанной в Конструкторском Бюро Альтернативной энергетике «ВоДОмёт» (г. Омск).

сушка 

1 – солнечное излучение, 2 – солнечный соляной пруд, 3 – корпус теплового коллектора (8 – 10 шт.), 4 – вытяжная труба, 5 – концентратор солнечного излучения, 6 – транспортер (тележки), 7 – склад предварительно подсушенных брикетов торфа, 8 – грунт.

Рисунок 1 – Конструктивная схема солнечной установки для сушки (солнечной сушилки, гелиосушилки) местных видов топлив.

У гелиосушилки корпус теплового коллектора 3 и его внутреннее пространство постоянно нагреты до температуры 90 – 95 ⁰С от прямого и отраженного от концентратора 5 солнечного излучения 1, аккумулированного рассолом солнечного соляного пруда 2 (растворимость поваренной соли (NaCl) в воде практически не зависит от температуры). Это позволяет осуществлять сушку торфа следующим образом: брикеты торфа укладываются на перфорированную ленту транспортера 6 в зоне загрузки, и перемещаются на ней в корпусе теплового коллектора 3 в зону выгрузки. Во время движения брикетов внутри корпуса теплового коллектора 3, размещенного в наиболее прогретой придонной части солнечного соляного пруда 2, они подвергаются нагреву. Нагрев будет идти за счет лучистого теплообмена от нагретой до 80 – 90 ⁰С внутренней поверхности теплового коллектора 3, за счет теплопроводности от прогретой ленты транспортера; за счет конвективного теплообмена между потоком воздуха и поверхностями брикетов. Выделяющиеся в воздух пары воды благодаря тяге, создаваемой вытяжной трубой 4 уносятся вместе с воздухом из коллектора 3, обеспечивая поступление более сухого воздуха из зон загрузки и выгрузки.

Самотяга вытяжной трубы определяется по широко известной формуле:

формула 

где h– высота трубы, м; po– плотность удаляемого воздуха при 0 ⁰С, кг/м3; θср – средняя температура удаляемого воздуха на выходе из трубы, ⁰С; 1,2 g– плотность воздуха при температуре 20 ⁰С, кг/м3; – ускорение силы тяжести, м/с2.

Теплоту удаляемой смеси: паров и воздуха с температурой 40 – 70 ⁰С можно использовать в качестве источника теплоты для работы ТН и для обогрева теплиц. При сушке отсутствует пламенный нагрев, а, следовательно, термический процесс безопасен в пожарном отношении. Поток воздуха, поступающий в коллектор, соприкасается с нагретой поверхностью коллектора и воспринимает тепло от неё. При этом происходит конвективный процесс теплообмена. Упрощенная методика, расчета изменения температуры потока воздуха будет аналогична представленной в [3] для потока вентиляционного воздуха, нагревающегося в горных породах рудников.

рудников 

где θк и θв – температура коллектора и воздуха, ⁰С; S – площадь поверхность теплообмена, м2; K – коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности коллектора к воздуху, Вт/(м2∙⁰С);  t – время передачи теплоты от поверхности коллектора к воздуху, ч. Количество теплоты, отдаваемой в течение часа на участке длиной ,

формула 

где L – периметр коллектора на участке длиной .

При этом температура воздуха, изменяется на dθ. Количество теплоты, воспринимаемой воздухом,

формула 

где  m – масса воздуха, кг; cp – теплоемкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кг∙⁰С).

Из условий теплового баланса

формула 

откуда

формула

При постоянной температуре θк и неизменном значении К после интегрирования имеем

формула 

т.е. 

формула

Константа С определяется из условий при х=0 и  θк=θ1 ( θ1 – начальная температура воздуха на входе в коллектор). Поэтому

формула 

или

формула 

откуда

формула 

или

формула 

где l – длина, м.

В приведенных расчетах температура внутренней стенки коллектора принята равной температуре наружной стенки, температуре рассола.

Благодаря отсутствию в рабочей зоне продуктов сгорания, для ручной загрузки и разгрузки не требуется вытеснение из корпуса теплового коллектора паровоздушной смеси, и не нужно отделять зоны загрузки и выгрузки от внутреннего пространства теплового коллектора двойными затворами.

Предлагаемая установка для сушки местных видов топлива имеет ряд преимуществ. Гидродинамический солнечный пруд — это не только тепловой аккумулятор, но и мощнейший концентратор солнечной энергии. При аккумулировании солнечной энергии придонным слоем пруда 2 прогревается и грунт 8. При этом образуется существенный запас теплоты — петрогеотермальный ресурс, так нужный для бесперебойной работы установки ночью и в пасмурные дни. А запас солнечной энергии для работы установки осенью может быть «собран» в безоблачный период «бабьего лета».

Установка может быть полностью автономной при использовании электрической энергии, вырабатываемой гелиоэлектростанцией, схема которая приведена в монографии [4].

При площади солнечного соляного пруда 0,1 га и при наличии концентраторов солнечного излучения, пруд, расположенный даже на 55 – 60⁰ северной широты, может аккумулировать за сезон сотни МВт∙ч солнечной энергии с температурой не ниже 80 ⁰С, и обеспечивать сушку торфа вне зависимости от чередования солнечных и пасмурных дней. Возможность непрерывной работы достигается за счет уникального свойства воды — исключительно высокой удельной теплоёмкости.

Солнечный соляной пруд можно обустраивать в выемках, оставшихся после торфоразработок при соответствующей гидро - и теплоизоляции. Соль для пруда можно добывать за счет опреснения слабосоленых вод близлежащих территорий (в том числе в Омской области) или геотермальных вод, что исключает нарушение солевого баланса данной территории в случае аварийных протечек рассола из пруда.

Предполагается отработать следующий технологический регламент сушки торфа: предварительная сушка до влажности 40 – 45 % под навесом с прозрачной крышей или на открытом воздухе, при фрезерной добыче, а затем в гелиосушилке до транспортной влажности 15 – 20 % (гигроскопическая влажность торфа 11 %). При такой влажности торфа, при его сжигании в топке котла, потери теплоты будут уменьшаться в разы.

Сухой торф хорош тем, что он не гигроскопичен (непросушенный торф гораздо более гигроскопичен и способен скорее насыщаться влагой при хранении на открытом месте).

Согласно классификации П.А. Ребиндера [5], в основу которой положена энергия связи влаги с материалом, выделяют по порядку убывания энергии связи три формы: химическую, физико-химическую и физико-механическую. Химически связанная с материалом влага образуется в точных количественных соотношениях и включает ионную (влага в виде гидроксильных ионов) и молекулярную (в виде кристаллогидратов) влагу. Эти связи могут быть разрушены или в результате химической реакции, или при прокаливании. Такая влага при сушке, как правило, из материалов не удаляется, поэтому в дальнейшем нами не рассматривается.

На рисунке 2 показаны схематически формы связи и виды влаги коллоидного капиллярно-пористого тела.

рисунок 2 

Рисунок 2 – Классификация форм связи влаги с материалом.

В действительности нет такой четкой границы между отдельными формами связи и видами влаги (как показано на рисунке 2) — одна форма может изменяться за счет другой.

Солнечная сушка будет способствовать, по сравнению с традиционной, обеспечивающей стандартную влажность торфа, уменьшению объемов хранилищ, трудоемкости погрузочно-разгрузочных работ. Повышению рентабельности транспортировки, в том числе через ледовые переправы, т.к. в процессе сушки коллоидных и капиллярно-пористых формованных торфяных систем происходит увеличение их плотности за счет капиллярной усадки.

Низкая влажность торфа гарантирует его длительную сохранность в качестве аварийного запаса ТЭР с высокой удельной теплотой сгорания.

Солнечная сушилка может применяться и в других секторах топливно-энергетического комплекса (ТЭК) (рис. 3).

рисунок 3 

Рисунок 3 – Блок-схема использования гелиосушилки в секторах ТЭК

Краткие пояснения к блок-схеме рисунка 3:

- сушку измельченного до состояния муки сырья для пеллет, производят перед его прессованием (впервые древесные отходы стали гранулировать в промышленном масштабе в 1947 г. Значительную часть поставляемых на европейский рынок пеллет потребляют частные домовладения — цена пеллет зависит от их теплоты сгорания и влажности);

- сушка древесных отходов до влажности 10 – 15 % необходима для их переработки, например, в реакторе пиролиза на пиролизный газ, бионефть и древесный уголь;

- бурый уголь, имеет порой высокие значения влажности — до 60 %;

- подогрев воздуха необходим иногда при сжигании топлива;

- разогрев бочек, фляг, канистр, бутылей обеспечивает более полное удаление из них вязких темных нефтепродуктов, тяжелого моторного масла, смазочных и топочных мазутов и т.п.;

- сушка изоляции обмоток электрических машин при 70 – 90 ⁰С в течение 50 – 60 часов обязательна для сильно отсыревших машин, перед их включением в работу.При сушке электроизоляции больше энергии теряется из традиционной печи, чем идет на сушку, т.к. время нагрева изоляции не зависит от подводимой мощности, а зависит от постоянной времени нагрева ( ):

формула 

где суд – удельная теплоемкость электроизоляции, Дж/кг∙⁰С; m – масса электроизоляции, кг; K – коэффициент теплообмена электроизоляции, Вт/(м2∙К); S – площадь внешней поверхности электроизоляции, м2;

- сушка при температуре до 60 ⁰С наружной поверхности трубопроводов и их нагрев перед нанесением изоляции обеспечивает улучшение адгезии изоляционной мастики или полимерной ленты к трубе;

- размещение осенью-зимой в гелиосушилке, при температуре рассола пруда 20 – 25 ⁰С и ниже, аккумуляторных батарей, например, ветроустановок обеспечивает более полную зарядку батарей, а выделяющаяся теплота при зарядке и разрядке будет аккумулироваться солнечным соляным прудом;

- актуально подсушивание (восстановление) абсорбента, используемого для поглощения влаги из воздуха, например, при сушке посредством его крупногабаритных изделий, или в помещениях ответственного хранения арматуры или электроматериалов;

- размещение весной и осенью ацетиленовых генераторов в гелиосушилке предохраняет замерзание в них воды;

- при хранении весной и осенью в гелиосушилке слабых кислот, которые замерзают при 0 ⁰С, будет исключаться разрушение их стеклянных сосудов.

В России от 65 до 79 % собираемого с полей зерна подвергается сушке. На это ежегодно в среднем расходуется около 915 тыс. т дизельного топлива, и примерно столько же, в сопоставимых единицах энергии, газа.

Сооружения по хранению и переработке (сушке) зерна в соответствии с Федеральным законом от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ отнесены к опасным производственным объектам.

Гелиосушилка может применяться для сушки влажного зерна, обеспечивая снижение опасности соответствующих технологических пределов.

Использование для сушки зерна солнечной энергии очень актуально, т.к. согласно ГОСТ 28293 [6] при сушке зерна расход тепловой энергии на порядок превышает расход электроэнергии (таблица 1).


таблица. виды топлива
 

Таблица 2 – Максимально допустимые значения удельного потребления тепловой и электрической энергии при сушке зерна на 1 т испаренной воды

Показатели удельного расхода энергии, приведенные в таблице 2, относятся к рабочим операциям, связанным только с сушкой зерна (обогрев сушильного агента — камера сгорания, горелка, теплообменник и т.п.).

А подвод, распределение и отвод сушильного и охлажденного воздуха, очистка отработанного воздуха, опорожнение сушилки от зерна не относятся к операциям, связанным с транспортированием зерна к сушилке и от неё.

При сушке сена в гелиосушилке будет повышаться его качество и количество перевариваемого протеина в нем. Это позволит вытеснить из рациона животных белковые добавки промышленного происхождения, производство которых основано на использовании парафинов нефти и чрезвычайно энергоемко [7].

В гелиосушилке можно осуществлять, например, пропарку бетонных изделий. А поскольку после тепловой обработки бетонное изделие должно остывать со скоростью, примерно 8 – 10 ⁰С/час, то нагретый охлаждающий бетон воздух можно использовать для сушки, например, пиломатериалов.

При использовании гелиосушилки для тепловой обработки изделий из бетона при расчете теплового баланса необходимо учитывать количество выделяющейся теплоты (экзотермическую теплоту) в процессе твердения бетона по следующей эмпирической зависимости [8]:

формула 

где θв – температура бетона; t – продолжительность твердения; qэкз28 – тепловыделение цемента при 28-суточном твердении в нормальных условиях; В/Ц– водоцементное отношение; Ц – количество цемента, содержащегося в 1 м3 бетона; а и b – постоянные коэффициенты (при

формула

А расчет общего теплового баланса аналогичен по потерям теплоты из биореактора при ферментации биогаза.

Сушилку можно использовать также для сушки пиломатериала [4].

Рассмотренные установки использования солнечной энергии для тепловой обработки местных видов топлива, продукции и материалов наглядно показывает, что у российской энергетики ВИЭ, основанной на использовании особенностей климатических условий России, имеется хорошая обоснованность её будущего. И, как это, не парадоксально, но это относится к альтернативной энергетике, использующей солнечную энергию, в том числе за счет её пожаробезопасности.

Список литературы:

1. Зайченко В.М. МИНИ-ТЭЦ на базе газопоршневых двигателей / В.М. Зайченко, А.А. Чернявский // Академия Энергетики. 2010. № 4. С. 58 – 64;

2. Кузьмин Г.Ф. ТОРФЯНЫЕ топливные ресурсы Северо-Запада России / Г.Ф. Кузьмин, А.В. Михайлов, В.Г. Селеннов // Академия Энергетики. 2010. № 4. С. 44 – 51;

3. Шемаханов М.М. Основы термодинамики и кондиционирования рудничной атмосферы / М.М. Шемаханов. М.: Недра, 1974. 208 с.;

4. Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) / Г.Б. Осадчий. Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.;

5. Промышленные тепломассообменные процессы и установки: Учебник для вузов / А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, О.Л. Данилов и др.; Под ред. А.М. Бакластова. М., Энергоатомиздат, 1986, 328 с.;

6. ГОСТ 28293 Зерносушилки шахтные. Показатели энергопотребления. Издательство стандартов. 1990, 5 с.;

7. Методические вопросы развития энергетики сельских районов / Х.З. Барабанер, В.М. Никитин, Т.И. Клокова и др. Иркутск, СЭИ, 1989. 260 с.;

8. Гришан А.А. Энергосберегающая конвейерная технология производства изделий из бетона / А.А. Гришан // Промышленная энергетика. 2002. № 2. С. 45 – 49.

Автор: Осадчий Геннадий Борисович, инженер, автор 140 изобретений СССР.



Источник информации: Осадчий Геннадий Борисович
Размещено: 31.08.2012