SUŠENÍ BIOMASY V ROTAČNÍ SUŠÁRNĚ

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

SUŠENÍ BIOMASY V ROTAČNÍ SUŠÁRNĚ Markéta Grycmanová, Olga Procházková, Pavel Kolat Celosvětový růst spotřeby energií, který je spojený s postupným vyčerpáváním omezených fosilních paliv a se zvyšujícím s skleníkovým efektem, patří mezi globální problémy lidské společnosti, stejně jako problém s využitím odpadů. Ekologické palivo, které je vyrobeno na bázi obnovitelných surovin, je na rozdíl od zdrojů ropy, uhlí nebo zemního plynu šetrné vůči životnímu prostředí. Klíčová slova: Bioodpad, biopalivo, granulát, bubnová sušárna. ÚVOD Tento článek má za úkol nastínit jak lze využít část odpadů z dřevařského, zemědělského a čistírenského průmyslu k výrobě biogenního paliva. Z technologického hlediska je v tomto procesu nejnáročnější částí vysoušení biomasy, proto mu v článku věnujeme největší pozornost. Smícháním dřevní štěpky, odpadní slámy a vybraných odvodněných čistírenských kalů z ČOV lze vytvořit biomasu, tzv. granulát. Ten se využívá jako polotovar pro výrobu alternativního paliva, biopelet. Dřevní štěpka a sláma jsou biogenní materiály, které nelze považovat za nebezpečný odpad. Kaly z čistíren odpadních vod slouží jako surovina pro zlepšení soudržnosti výše uvedených biogenních materiálů. Kaly podléhají pečlivému výběru z hlediska obsahu těžkých kovů a jsou také kontrolovány na obsah chlorovaných derivátů organických látek. Základní princip výroby biogenního paliva z kalů čističky odpadních vod spočívá ve vytvoření optimálních podmínek pro aerobní fermentaci směsi odvodněných kalů s tuhými bioodpady. Pomocí aerobní fermentace dochází k dezodorizaci kalů a současně se zvyšuje odpar vod. Důležitou podmínkou pro urychlené nastartování fermentačního procesu je dokonalé a účinné promíchání odvodněných kalů s tuhými bioodpady v homogenizátoru. Biopelety se lisují z takto vzniklé směsi na vysokotlakých lisech. Abychom docílili na lisech trvalého propojení částic granulátu, musíme nutně granulát důkladně vysušit. To je pravděpodobně jeden z nejvíce problematických úseků při výrobě biogenního paliva, proto se stěžejním bodem tohoto článků stává sušení biomasy a návrh sušícího zařízení. VÝROBA BIOGENNÍHO PALIVA Základními surovinami pro výrobu biogenního paliva jsou: • odvodněné kaly obsahující 20-40% sušiny • dřevní odpad (piliny, štěpky, kůra apod.) • sláma (obilní, řepková, dalších technologických a energetických plodin), případně jiný tuhý bioodpad Technické podmínky pro užití kalů Pro výrobu paliva jsou použity pouze kaly neobsahující nadlimitní množství těžkých kovů pro použití do kompostu. Limitní obsahy těžkých kovů uvádí tabulka 1. Tab. 1 Limitní obsahy Prvek Limitníobsah [mg.kg-1]

Pb 500

Cd 13

Cr 1000

Hg 10

Ni 200

Zn 3000

Cu 1200

As 50

Ing. Markéta Grycmanová, VŠB – TU Ostrava, FS, 17. listopadu, Ostrava Poruba, [email protected]

Mo 25

/ 55 /

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

RECEPTURA Pro splnění požadovaných parametrů paliva, zvláště z hlediska výhřevnosti a obsahu popele, jsou výše uvedené složky smíchány v poměru: Tab. 2 Poměr složek v palivu v hm % Sláma 36

Piliny 36

Kaly 28

TECHNOLOGICKÝ POSTUP a) b) c) d) e)

Dezintegrace tuhé biomasy – dřevěné štěpky a slámy Homogenizace odvodněných kalů s tuhou biomasou Aerobní fermentace směsi kalů s tuhou biomasou (dezodorizace) Vysoušení fermentované směsi s následnou granulací Lisování granulátu

Tuhou biomasu je nutné před jejím smícháním s odvodněnými kaly upravovat, a to především drcením nebo řezáním. Při použití slámy obilovin, technických nebo energetických plodin musí dojít k předmíchání směsi kalu s řezanou slámou. Drť (resp. kal s řezanou slámou) se poté s odvodněnými kaly dávkuje do šnekové míchačky. Získaná směs se naskladňuje na ložnou plochu rozmetadla hnojiv, pomocí něhož dochází k homogenizaci odvodněných kalů s tuhou biomasou. Po uvedení rozmetadla do chodu je totiž směs odvodněných kalů společně s dřevní drtí metána na betonovou stěnu, čímž dochází k dokonalému spojení odvodněných kalů s drtí dřevních odpadů. Dokonale promíchaná a homogenizovaná směs je naskladňována pomocí pásových dopravníků do fermentačního žlabu s denním automatickým překopáváním, kde v optimálních aerobních podmínkách dochází k urychlené asimilaci pachových látek (dezodorizace) a to při současném zvýšení teploty fermentované směsi a při zvýšenému odparu vody. POPIS BIOPELET Ekologické biopalivo je vyrobeno na bázi obnovitelných surovin (např.: dřevo, sláma), obohacené vybranými kaly z čistíren odpadních vod, které jsou přidávány pro zlepšení soudržnosti produktu. Palivo je vyrobeno fermentací, sušením a následným lisováním. Granulát je produkován ve formě drti o rozměrech částic do 10 mm. Pelety jsou válcového tvaru o průměru 30 mm a délce 20-70 mm. Jsou dostatečně pevné, tj. snesou bez rozpadu pád z výšky 1 m. Pelety a granulát jsou biologicky nezávadné, neobsahují biologicky aktivní látky a jsou bez zápachu.

Obr. 1 Biopelety

/ 56 /

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

SUŠÍCÍ ZAŘÍZENÍ Bubnová univerzální sušárna (BUS) je kontinuální souproudé zařízení,sloužící k vysoušení sypkých materiálů. Hlavní části sušárny: 1) spalovací zařízení - slouží k zabezpečení sušícího prostředí pro sušárnu 2) směšovací komora – tvoří ji dvoudílný válec, spodní část je přišroubovaná k topeništi a uvnitř je válcový plamenec, do prostoru mezi plamenec a stěnu směšovací komory tangenciálně proudí nasávaný okolní vzduch 3) zásobovací jednotka - základním prvkem je samonosná ocelová konstrukce, která je svařena z ocelových, předem ohýbaných plechů tak, že vznikne uzavřený ohraničený prostor, dno zásobovací jednotky je zešikmené a zaústěné do žlabu 4) sušící buben – je hlavní součástí sušárny, rotační válcový buben se otáčí kolem mírně skloněné směrem k výstupní jednotce, podélné osy. Na vnitřní straně je opatřen vestavbou, osmi obvodovými lopatkami, jejichž hlavním úkolem je zintenzívnit přestup tepla rovnoměrným rozdělením náplně sušárny do celého průřezu bubnu a podstatně zvětšit povrch vysoušeného granulátu. Vestavba umožňuje neustálé přesýpání náplně do proudu sušícího prostředí 5) výstupní jednotka - představuje ji ocelová skříň, stojí na čtyřech přivařených nohách, které jsou přišroubovány k rámu 6) lisovací zařízení - hydraulický briketovací lis

Obr. 2 Koncepce sušícího bubnu

PROCES SUŠENÍ Vlhký granulát je podáván šnekovým dopravníkem přes vstupní jednotku do bubnu u jejího vyššího konce. Rotací, působením vestavby bubnu a působením sušícího prostředí, proudícího ze vstupního vzduchotechnického potrubí přes vstupní jednotku do sušícího bubnu, postupuje granulát složitým pohybem směrem k výstupní jednotce. Shluky částic jsou vestavbou vynášeny do horní části obvodu bubnu. Přitom přijímají teplo konvekcí od sušícího prostředí a současně i teplo kondukcí od lopatek vestavby. Z povrchu shluku částic se přitom odpařuje vlhkost. Po dosažení horní části obvodu bubnu padají shluky z lopatek, tzn. že sprchují do proudu sušícího prostředí. Shluky se při sprchování dezintegrují a jednotlivé částice jsou v přímém styku se sušícím prostředím. Tím se podstatně zvětší povrch pro přestup tepla a hmoty. Částice granulátu, který vysoušíme, se na dně bubnu dostávají za poměrně krátkou dobu opět dovnitř shluků. Tam mají možnost vyrovnat úbytek své povrchové vlhkosti. Z hlediska sušení je tahle záležitost velmi důležitá, neboť se tím prodlužuje úsek stálé rychlosti sušení. Přesýpáním náplně se také dosahuje rovnoměrnějšího rozdělení teplot v částicích a ve shlucích, takže tím dojde k potlačení nepříznivých vlivů konvekčních sil na průběh sušení. Vysoušení sypkých materiálů v bubnové sušárně se blíží svým charakterem vysoušení jednotlivých granulí. Proto se větší měrou neuplatňují vnitřní podmínky sušení, ale naopak převládá vliv vnějších podmínek. Usušený granulát vypadává z nižšího konce bubnu přes výstupní jednotku do výsypky granulátu.

/ 57 /

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

Při návrhu sušárny byla splněna podmínka sušení, kde doba průchodu granulátu bubnem je větší než doba sušení granulátu. Bubnové sušárny mají z hlediska vlastního sušení hlavní výhody: ƒ ƒ ƒ

prodloužený úsek se stálou rychlostí sušení dobrou tepelnou účinnost použitelnost pro různé materiály

Nevýhodou bubnových sušáren je docílení nižší intenzity sušení. I s dokonalým přizpůsobením vestaveb nelze zajistit tak účinné míchání a styk sušícího prostředí se sušeným materiálem jako například u fluidních, proudových nebo vibračních sušáren.

TEPELNÁ BILANCE SUŠÁRNY

Qir, pal .m pal

Spalovna

′ .c ′p , sp m ′sp .t sp

Směšovací komora

m sm .t sm .c p , sm

VVZ . p p ,vz .tVZ

msm .t sm .c p ,sm

′ .cp,sm +ΔI msm.tsm Sušárna BUS

m′g′ .t ′g′ .c ′p′, g

m ′g .t ′g .c ′p , g Obr. 3 Tepelná bilance sušárny EMISE Při spalování biomasy se významně sníží produkce emisí, které při spalování fosilních paliv značně zatěžují ovzduší. Dosahuje se značně nízkých hodnot škodlivých emisí, včetně emisí toxických kovů a dochází ke snížení problému nakládání s popelem. Oxid uhelnatý Spalování tuhých fytopaliv v rozmezí teploty plamene 900 až 1100 °C při dostatečném přívodu spalných vzduchů s přebytkem kyslíku a s dostatečně velkým a neochlazovaným dohořívacím prostorem plamene se obsah CO často blíží k nule. Oxid siřičitý Emise oxidu siřičitého jsou rovněž zanedbatelné. Stopy síry se u fytopaliv vyskytují výjimečně, např. v kůře dřevin.

/ 58 /

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

Oxidy dusíku Emise oxidů dusíku (NOx) dosahují cca polovinu povolených limitů, ale mohou se zvýšit při překročení teploty plamene 1200 °C. Rovněž fytopalivo obsahující vyšší obsah dusíku než 1,5 % v sušině může překročit emisní limit NOx. K tomu může dojít při spalování sena z mladé trávy. U fytopaliva z energetických rostlin hnojených průmyslovými hnojivy s obsahem chloru se mohou ve spalinách objevovat emise chlorovodíku. Oxid uhličitý Při spalování biomasy rovněž vzniká dioxid uhlíku, který způsobuje vznik skleníkového efektu. Spalováním biomasy se však skleníkový efekt nenavyšuje a to z důvodu, že rostliny za svého růstu odebírají z ovzduší CO2 a spotřebovávají ho při fotosyntéze. Při spalování jej opět do ovzduší vracejí (bilance CO2 je tedy nulová).

Obr. 4 Graf vznikajících emisí při pálení biopelet EKONOMICKÉ ZHODNOCENÍ Tabulka 3 předkládá srovnání různých běžně používaných paliv. Porovnávám výhřevnost, popelnatost a náklady na výrobu 1 kWh na topném tělese. Tab. 3 Porovnání různých druhů paliv Zdroj energie Hnědé uhlí Černé uhlí Hnědouhelné brikety Koks Zemní plyn Papírové brikety Biopelety

Výhřevnost [MJ.kg-1, MJ.m-3] 13,4 -17,0 16,7 – 28,7 18,8 25,5 33,4 - 36 15 - 17 15 – 19

Popelnatost [%] 5 - 28 9 -20 6 - 17 10 - 20 1,9 - 3 0,3 - 1

Cena získané kWh na topném tělese 0,20 – 0,50 0,33 – 0,85 0,30 0,44 – 0,56 0,45 0,22 – 0,48 0,20 – 0,48

Z tabulky vyplývá, že spalování biopelet je v porovnání s ostatními palivy jedním z nejlevnějších způsobů jak získat 1 kWh energie. Popelnatost dosahuje téměř nulových hodnot.

/ 59 /

Energie z biomasy VII. – odborný seminář

Brno 2007

ZÁVĚR Hlavním úkolem článku bylo přiblížit proces sušení biomasy v kontinuálním souproudém zařízení-bubnové sušárně. Sušárna je vhodná pro sušení většiny sypkých materiálů, je ovšem nutné dodržet podmínku sušení a to, že doba průchodu granulátu bubnem je delší než doba nutná k jeho vysušení. Z sušárny vystupuje granulát o vlhkosti zhruba 15 %, který se následně na vysokotlakých lisech lisuje na biopelety. Lisované biolepety mají řadu předností před běžně používanými fosilními palivy a mohou tak tyto paliva vhodně doplnit nebo zcela nahradit. Jejich výhřevnost je shodná s výhřevností hnědého uhlí, mají však významně nižší obsah těžkých kovů a emise vznikající při spalování biopelet dosahují také velmi nízkých hodnot. Největší předností spalování biopelet je bezesporu tzv.nulová bilance oxidu uhličitého. Při spalování paliva na bázi biomasy totiž nedochází ke tvorbě nového oxidu uhličitého, protože spalováním tohoto druhu paliva vznikne stejné množství CO2 jako je ho spotřebováno při růstu (fotosyntéze) rostlin. PODĚKOVÁNÍ Příspěvek vznikl za podpory grantu MSM 6198910019 „DeCOx PROCESSES. POUŽITÁ LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

VALCHÁŘ, J.; CHOC, M.; TŮMA, V. (1967): Sušení v chemickém průmyslu. Praha. KOZÁK, M. (1993): Zkušební protokol Radvance, Protokol o zkoušce. Ostrava. ČECH, B. (2001): Protokol z měření emisí č.06/01, Technická zpráva.VŠB-TU Ostrava. BARTOŇOVÁ, L. (2002): Distribuce prvků při spalování uhlí v elektrárnách s cirkulující fluidní vrstvou, Doktorská disertace. VŠB-TU, FS Ostrava. BAJGER, Z. (2002): Hodnocení paliva EKOFERM, Technická zpráva. VŠB-TU Ostrava. NOSKIEVIČ, P. (1998): Spalování uhlí. VŠB-TU Ostrava. VÍTKOVICE – VÝKUM A VÝVOJ, s. r. o. (2001): Protokol o autorizovaném měření emisí č. 44/2001. Ostrava. KVASNICA, J. (1965): Termodynamika. Praha.

/ 60 /