Использование теплоты отработавшего агента сушки

23.06.2015

В настоящее время в отечественном и зарубежном зерносушении имеется определенный опыт использования теплоты отработавшего агента сушки, потери которой, по данным целого ряда исследователей, могут достигать 60 % всех непроизводительных затрат теплоты в зерносушилках.
В частности, в РФ и странах СНГ на некоторых зерносушилках («Целинная-30», «Целинная-36», «Целинная-40», А1-УЗМ-50, А1-ДСП-50 и др., в том числе в сушилках камерного типа) осуществляется частичная утилизация теплоты отработавшего агента сушки или охлаждающего воздуха. Кроме того, имеется положительный опыт по использованию отработавшего агента сушки при реконструкции зерносушилок РД-2х25, «Целинная» и ДСП-32от, в которых отработавший в камере нагрева агент сушки возвращается в первую зону шахт или в шахту промежуточного охлаждения, в смесительную камеру топки.
До последнего времени в нашей стране отсутствовали данные о пределах возможного использования теплоты отработавшего агента сушки с различным влагосодержанием. Все рекомендации сводились в основном к тому, что повторно можно использовать лишь агент с низким влагосодержанием, т.е. выходящий из нижних зон сушки.

Использование теплоты отработавшего агента сушки

Исследованиями установлено, что повышенное влагосодержание агента сушки (в результате возврата части отработавшего агента) оказывает различное влияние на характер протекания процесса в условиях прямоточной и рециркуляционной сушки зерна.
В условиях прямоточной сушки увеличение влагосодержания агента сушки способствует снижению эффективности испарения влаги и одновременному повышению температуры зерна (рис. 7.13, 7.14).
В результате обработки экспериментальных данных установлено влияние влагосодержания агента сушки на оптимальные значения влажности и температуры нагрева зерна, использованные в выражениях (4.3) и (4.8) для расчета коэффициентов эффективности влагосъема и эффективности нагрева зерна:
Использование теплоты отработавшего агента сушки

В условиях рециркуляционной сушки увеличение влагосодержания агента сушки в результате снижения эффективности охлаждения зерна в меньшей степени снижает эффективность испарения влаги (рис. 7.15, 7.16).
Использование теплоты отработавшего агента сушки

В результате обработки экспериментальных данных установлено влияние влагосодержания агента сушки на оптимальные значения влажности и температуры нагрева зерна, использованные в выражениях (4.3) и (4.8) для расчета коэффициентов эффективности влагосъема и эффективности нагрева зерна:
Использование теплоты отработавшего агента сушки

Сравнение величин прироста оптимальных значений влажности просушенного зерна (рис. 7.17) свидетельствует о более высокой эффективности использования агента сушки с повышенным влагосодержанием в рециркуляционных зерносушилках по сравнению с шахтными.
В зарубежной практике, в частности во Франции и США, имеется большое разнообразие технических решений этой проблемы. Во Франции фирмой LAW разрабатывается рекуперативная зерносушилка с использованием теплоты отработавшего агента сушки, который перед выбросом в атмосферу проходит через теплообменник, где отдает часть своей теплоты жидкости (гликолевой воде). Подогретая вода направляется в другой теплообменник, который находится на пути прохождения наружного воздуха, поступающего в сушилку, таким образом воздух частично подогревается, что снижает затраты топлива на сушку.
Использование теплоты отработавшего агента сушки

Для большинства французских сушилок характерно повторное использование слабонасыщенного парами отработавшего сушильного агента, выходящего из нижней части сушилки температурой 50...60 °C, путем возврата в верхнюю часть сушилки или топку для смешивания с атмосферным воздухом и топочными газами.
В зависимости от способа использования вторичной теплоты и конструкции сушилки можно достичь экономии от 419 до 1257 кДж на 1 кг выпариваемой влаги.
Так, метод двойного прохода агента сушки дает экономию до 419 кДж на 1 кг влаги. Сушильная колонка в этом случае разделена по высоте на две части. В нижней части сушка зерна производится в обычном порядке при температуре агента сушки до 120 °C. Слабонасыщенный парами отработавший агент температурой 60...65 °C направляется в верхнюю часть колонки, где зерно более влажное, и отдает ему свою остаточную теплоту. На выходе из сушилки воздух насыщен парами. Более экономичной является так называемая двухэтажная сушилка (с двумя топками, по топке на каждом этаже), в которой можно производить сушку с применением высокой температуры как в нижней, так и в верхней зоне.
В этой сушилке использованный, но слабонасыщенный теплый воздух температурой 50...60 °C из нижней зоны (первый этаж), а также воздух, выходящий из зоны охлаждения, направляются в топку верхней зоны (второй этаж), где подогреваются до 150 °С, используются для сушки более влажного зерна и выбрасываются в атмосферу температурой 45...50 °C.
Агент сушки, подаваемый на первый этаж в нижнюю зону, имеет температуру около 100 °С, что позволяет сохранить качество зерна в конечной фазе сушки.
Этот способ сушки позволяет снизить расход топлива на 25 % и довести расход теплоты до 3352...3562 кДж на 1 кг влаги.
Такого же эффекта можно добиться путем повторного использования нагретого слабонасыщенного воздуха, взятого из нижней части зоны сушки. Этот воздух температурой 60...70 °C направляют в топку или смешивают его на выходе из топки с нагретым до 110 °C агентом. Экономия топлива при этом составляет 20 %.
В настоящее время французские ученые заняты поисками дальнейшего снижения затрат тепловой энергии. По их мнению, а также специалистов Министерства сельского хозяйства и фирмы Sesima, включение в схемы двухэтажных (двухступенчатых) сушилок дополнительных узлов, способных почти полностью возвращать теплый воздух, позволит довести расход теплоты до 2807...2891 кДж на 1 кг выпариваемой влаги. Теоретически французскими учеными рассчитана возможность достижения нижнего предела затрат теплоты на выпаривание 1 кг влаги в 2724...2807 кДж. Эти затраты даны из условия сушки зерна кукурузы от 35 до 15 %. Для сравнения: в отечественной зерносушилке А1-УЗМ-50 при снижении влажности зерна пшеницы с 20 до 14 % затраты теплоты на 1 кг влаги составляют 4034 кДж. Например, последовательное соединение сушилки с почти полным возвратом воздуха и классической сушилки при введении дополнительного узла позволит добиться минимальных удельных затрат теплоты (при максимальной экономии).
Двухступенчатый способ сушки, предложенный фирмой Sesima, предполагает использование дополнительного узла, включающего специальную сушилку с почти полным возвратом воздуха, улавливатель (утилизатор) теплоты и водяной радиатор для предварительного подогрева свежего воздуха второй (классической) сушилки.
Принцип действия дополнительного узла заключается в следующем: в сушилке, работающей по принципу полного возврата воздуха, в противоточном утилизаторе теплоты обрабатывается небольшая (15 % всей массы рециркулируемого воздуха) порция (часть) отработавшего воздуха температурой 73 °C и очень высоким содержанием влаги (250...270 г на 1 кг сухого вохдуха).
Поступающая из радиатора в утилизатор вода нагревается до 60 °C и вновь направляется в радиатор, но уже со стороны входа наружного воздуха, нагревая его до 50 °С.
В дальнейших разработках генератор горячего воздуха в дополнительном узле сушилки заменили тепловым насосом, принцип действия которого аналогичен холодильному агрегату, т.е. высушиваемый воздух вращается в замкнутом цикле. В случае поломки данного агрегата без ремонта промышленных насосов будет не обойтись.
В настоящее время французскими учеными и конструкторами разрабатывается многоэтажная сушилка с противотоком, преимуществами которой будут большая производительность при меньших размерах сушильной колонки и минимальные затраты теплоты на единицу мощности.
В этой сушилке агент сушки имеет сравнительно высокую температуру (от 180 °C в верхней зоне и до 100 °C в нижней зоне). В сушилке пять зон сушки и одна зона охлаждения. Отработавший в зоне охлаждения воздух, имеющий начальную температуру порядка 10 °C, поступает в пятую зону сушки (последняя сверху вниз, т.е. первая снизу) температурой 30 °C и смешивается с агентом, поступающим из топки. Полученный в результате этого смешивания агент, имеющий температуру 100 °С, пройдя через слой зерна (t=60 °C) пятой зоны, вновь смешивается с агентом, поступающим из топки. Полученный при этом агент температурой 120 °C поступает в четвертую зону, на выходе из которой он имеет температуру 55 °С. Затем он вновь смешивается стопочными газами и при температуре 140 °C вновь пронизывает зерно (в третьей зоне). В следующей (второй) зоне топочные газы, смешанные с отработавшим агентом (температура которого составляет 55 °С), имеют температуру 160 °С, а в верхней (первой) зоне, где у зерна самая высокая влажность, температура газовой смеси доводится до 180 °C (отработавший агент на выходе из второй зоны имеет температуру 60 °С). Отработавший и очень насыщенный агент температурой 65 °C выводится наружу.
В США в последние годы все большее применение получают шахтные сушилки с рециркуляцией отработавшего агента сушки и охлаждающего воздуха, прошедшего через охладительную камеру. По данным фирм, выпускающих такие сушилки, в них достигается экономия топлива на 50 % выше, чем в обычных сушильных установках.
В частности, находят применение сушилки с параллельным потоком агента сушки (агент сушки движется сверху вниз в прямотоке с зерном) и охлаждающего воздуха (воздух движется в противотоке с зерном). В шахтной прямоточной зерносушилке «M&W450p» процесс сушки протекает в три стадии. На первой стадии часть агента сушки используется для предварительного нагрева сырого зерна. На следующей стадии зерно движется вниз в прямотоке с агентом сушки. На третьей стадии охлаждающий воздух проходит через сухое нагретое зерно, отбирая у него часть теплоты.
Весь отработавший охлаждающий воздух и около 60 % отработавшего сушильного агента циркулируют между вентилятором и камерой сгорания.
По данным фирмы-изготовителя, использование такой рециркуляционной системы позволяет уменьшить потребление топлива на 35 %.
Использование теплоты отработавшего агента сушки

Использование теплоты отработавшего агента сушки

Проведенное обобщение опыта использования отработавшего агента сушки и воздуха в отечественном и зарубежном зерносушении, а также результаты исследований автора позволили разработать классификацию (рис. 7.18), основанную на различии вариантов и модификаций.
Первый — наиболее распространенный вариант использования отработавшего агента сушки в рабочих зонах зерносушилки имеет четыре модификации:
1.1 — подвод отработавшего агента сушки в предшествующие зоны зерносушилки с целью обезвоживания более влажного зерна при пониженных температурных режимах;
1.2 — подвод отработавшего агента сушки в предшествующие зоны зерносушилки с целью предварительного нагрева сырого зерна;
1.3 — подвод отработавшего агента сушки в последующие зоны зерносушилки с целью обезвоживания более сухого зерна, имеет три модификации (1.3, а; 1.3, б и 1.3, в);
1.4 — подвод смеси отработавшего и свежего агента сушки сначала в последующую зону зерносушилки с целью обезвоживания более сухого зерна, а затем отработавшего агента в предшествующую зону с целью предварительного нагрева сырого зерна.
Второй вариант, основанный на использовании отработавшего агента сушки путем возврата в смесительную камеру топки, имеет одну модификацию: подвод отработавшего агента из последней зоны сушки, т.е. из зоны с более нагретым и сухим зерном, в смесительную камеру топки.
Третий вариант, основанный на использовании отработавшего воздуха путем возврата в смесительную камеру топки, также имеет одну модификацию: подвод отработавшего воздуха из зоны окончательного охлаждения просушенного зерна в смесительную камеру топки.
Четвертый вариант, основанный на использовании отработавшего воздуха в рабочих зонах зерносушилки, имеет две модификации:
4.1 — подвод отработавшего воздуха из зоны окончательного охлаждения просушенного зерна в зону промежуточного охлаждения рециркулируемого зерна;
4.2 — подвод смеси свежего агента сушки и отработавшего воздуха из зоны окончательного охлаждения просушенного зерна в первую зону сушки, т.е. к более сырому и холодному зерну.
Пятый вариант, основанный на использовании отработавшего агента сушки и воздуха в рабочих зонах зерносушилки, имеет две модификации:
5.1 — подвод смеси отработавшего воздуха из зоны окончательного охлаждения просушенного зерна и отработавшего агента из последней зоны сушки, т.е. от более сухого и нагретого зерна в предшествующую зону сушки, т.е. к более сырому зерну;
5.2 — подвод смеси свежего агента сушки и отработавшего воздуха из зоны окончательного охлаждения просушенного зерна сначала в последнюю зону сушки, т.е. к более сухому и нагретому зерну, а затем смеси отработавшего и свежего агента сушки в предшествующую зону сушки и так до первой зоны сушки, каждый раз смешивая свежий агент с отработавшим из последующей зоны сушки.
Шестой вариант, основанный на использовании отработавшего агента сушки и воздуха путем возврата в смесительную камеру топки, имеет одну модификацию: подвод в смесительную камеру топки смеси отработавшего агента из последней зоны сушки, т.е. из зоны с более нагретым и сухим зерном, и отработавшего воздуха из зоны окончательного охлаждения просушенного зерна.
Седьмой вариант, основанный на комбинированном использовании отработавшего агента сушки и воздуха, имеет три модификации: 7.1, а — подвод отработавшего агента сушки из зоны кратковременного нагрева смеси зерна в предшествующую зону зерносушилки с целью предварительного нагрева сырого зерна; 7.1, б — подвод отработавшего агента из зоны квазиизотермической сушки рециркулируемого зерна в смесительную камеру топки; 7.2, а — подвод смеси свежего воздуха и отработавшего агента сушки из зоны кратковременного нагрева смеси зерна в последующие первую зону квазиизотермической сушки рециркулируемого зерна и зону досушки зерна перед его окончательным охлаждением; 7.2, б — подвод смеси свежего и отработавшего агента из зоны досушки зерна перед его окончательным охлаждением во вторую зону квазиизотермической сушки рециркулируемого зерна;
7.2, в — подвод в смесительную камеру топки смеси отработавшего агента из первой и второй зоны квазиизотермической сушки рециркулируемого зерна; 7.3, а — подвод отработавшего агента сушки из зоны кратковременного нагрева смеси зерна в последующие зоны квазиизотермической сушки рециркулируемого зерна и досушки зерна перед его окончательным охлаждением; 7.3, б — подвод в смесительную камеру топки отработавшего воздуха из зоны окончательного охлаждения просушенного зерна.
Анализ приведенной классификации показал, что наименее удачными являются второй и шестой варианты, а также модификации «1, б» и «2, в» седьмого варианта (на начальном этапе сушки имеет место циклическое повышение влагосодержания агента сушки и опасность перегрева зерна при одновременном снижении интенсивности испарения из него влаги; при установившемся режиме — более низкая интенсивность испарения вследствие повышенного влагосодержания агента сушки). Наиболее удачными являются модификация «1» пятого варианта, модификации «1» и «2» четвертого варианта, модификация «2, б» седьмого варианта, а также третий вариант. Заслуживают внимания и модификация «3» первого варианта, а также модификация «3, а» седьмого варианта.
Выбор конкретного варианта (либо комбинации вариантов) и различных модификаций должен базироваться на аналитических расчетах при обязательном учете особенностей технологии сушки и конструкции зерносушилки.
Например, в конструкции зерносушилки А1-УЗМ-50 предусмотрено повторное использование в зонах сушки отработавшего агента, выходящего из камеры кратковременного нагрева в падающем каскад-но-движущемся слое смеси зерна, а также нагретого атмосферного воздуха после охладительной камеры путем подачи его на смешивание с топочными газами. Эта зерносушилка характеризуется сравнительно низкими удельными затратами топлива на сушку зерна по сравнению с другими типами отечественных сушилок (несколько выше, чем в сушилке «Целинная-50», работающей в режиме Ц-50-2к-охл.). Следует отметить, что этот эффект был получен в результате целого ряда усовершенствований (технология сушки, конструкция охладителя).