Новости

Г.Б. Осадчий представляет: "Пожаробезопасная сушилка торфа, зерна, сена" 14.07.2024 00:00

  Согласно белорусским методическим рекомендациям по составлению технико-экономических обоснований для энергосберегающих мероприятий (Комитет по энергоэффективности при Совете Министров Республики Беларусь) 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

Вид топлива (торфа)	Калорийный эквивалент*
Фрезерный (при условной влажности 40 %)  Кусковой (при условной влажности 33 %)  Торфяные брикеты (при условной влажности 16 %)  Торфяные полубрикеты (при условной  влажности 28 %)  Брикеты и полуфабрикаты (при условной влажности 15 %)	0,34 0,41 0,60 0,45 0,56 0,37

*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.

    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.

    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).

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.

    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.

   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 – 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 – 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)

К существенным недостаткам традиционной сушки сырья для пеллет относится то, что при жестких режимах сушки трудно добиться определенной его влажности. Древесное сырье перед прессованием должно иметь влажность 10 % ± 2 %. Сырье с большей или меньшей влажностью требует дополнительного увлажнения или дополнительной сушки. Сырье с влажностью менее 8 % плохо поддается прессованию, поэтому требуется, устройство дополнительного увлажнения сырья. Лучший вариант – это шнековые смесители, имеющие возможность подачи воды или пара. Пар применяют для снижения прочности и увеличения пластичности древесного сырья.

Получается порочный круг. Сначала идет расход энергии при пересушивании, а затем на увлажнение. Этого можно избежать при мягкой сушке в предлагаемой сушилке;

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 времени нагрева;

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

 

Вид топлива	Вид используемой энергии	Удельный расход энергии, ГДж/т, не более, при:
		сушке пищевых и промышленных зерновых культур	сушке семенного зерна
Жидкое и газообразное	тепловая электрическая суммарная	4,20 0,36 4,56	5,20 0,54 5,74
Твердое	тепловая электрическая суммарная	4,80 0,42 5,22	6,60 0,63 7,23

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.

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.

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

Сушилку можно использовать также для сушки пиломатериала.

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.

 

Автор: Осадчий Геннадий Борисович,
автор 140 изобретений СССР
E-mail: genboosad@mail.ru