Історія розробки парової сушарки

Традиційно буряковий жом сушиться у барабанних сушарках, що обертаються, в яких відбувається спалювання нафти, газу або вугілля. Витрачена енергія випаровується у трубу, а також призводить до забруднення атмосфери частинками пилу та продуктами згоряння. На початку 80-х років данські інженери задумалися про альтернативні рішення для поліпшення ситуації.

Суть ідеї полягала в наступному: якщо жом сушиться у закритій посудині, куди одночасно подається необхідне тепло, то буде можливе видалення вологи з жому у формі пару з тиском у 3,5 бари, який використовується для виробництва цукру (Рис. 1).

Енергію одержувану в парі з жому використовують на випарній станції для виробництва цукру (Рис. 2). Таким чином, досягається рекуперація використаної енергії і так само немає жодних викидів в атмосферу.

Дослідницькі роботи на цукровому заводі в м. Стеге, Данія, велися з 1981 по 1983 рік, після чого була побудована пілотна установка, а до 1985 року був створений промисловий прототип і в 1987 вдалося досягти хорошої та стабільної експлуатації. У 1990 році була продана перша комерційна установка у Францію, м. Нанжі. B 2017 році в світі побудовані 32 парові сушарки данського зразка і 3 в процесі реалізації.

Принцип роботи парової сушарки

Після проходження пресів глибокого віджиму віджатий жом подається у парову жомосушарку через завантажувальний поворотний клапан та завантажувальний шнек у посудину під тиском. Єдиним рухомим елементом у паровій жомосушарці є основний вентилятор (1). Він призводить до циркуляції перегрітого пару через теплообмінник (4) та перфороване округле дно до циркулюючого псевдорозрідженого шару у формі кільця.

У псевдорозрідженому шарі жом підтримується в «текучому» циркулюючому стані. Направляючі пластини змушують жом рухатися вперед у псевдозрідженому шарі, поки він не надійде в розвантажувальний шнековий конвеєр та вийде з жомосушарки у вигляді сухого жому через розвантажувальний поворотний клапан. Більш легкі частинки піднімаються потоком вгору між секційними пластинами. Через зниження швидкості перегрітої пари в конусоподібній частині посудини високого тиску частинки падають вниз на нахилені вперед пластини і ковзають вперед у посудині під тиском.

Таким чином, легкі частинки рухаються вперед у жомосушарці та вивантажуються через розвантажувальний поворотний клапан.  Циркулюючий пар проходить вгору через верхню циліндричну частину в головний циклон (3), де дрібний пил відділяється від пару. При циркуляції пару в головному циклоні дрібний пил витісняється у бічний циклон і вниз, в розвантажувальний шнековий конвеєр. Звідси пил виходить з посудини під тиском разом із висушеним буряковим жомом. У головному циклоні очищений від пилу пар розділяється на дві частини.

Перша частина, щоб підтримувати парову жомосушарку в дії, знаходиться в контакті з теплообмінником (4), де він знову нагрівається парою високого тиску, яка подається через вхідний штуцер, прямуючи вниз по трубах теплообмінника (4). Гострий пар конденсується в теплообміннику та виходить з парової жомосушарки через штуцер відводу конденсату. Друга частина отриманого пару з парової жомосушарки залишає посудину через штуцер відводу випаровуваного пару та використовується в якості пари для першого ступеня випарної станції.

Продуктивність парової жомосушарки залежить від тиску пари, що подається. При подачі пари при вищому тиску досягається більш висока температура циркулюючого пару, тим самим продуктивність парової сушарки збільшується з певним діапазоном для різних розмірів (Рис 4).

Енергетичний баланс парової сушарки

У класичній барабанній сушарці енергія, що надходить для процесу сушіння, безповоротно втрачена. На Рис. 5 зображено порівняльний аналіз споживання енергії барабанної та парової сушарки.

Червоний стовпчик відображає енергію, витрачену на барабанну сушарку. Колонка праворуч показує енергію, витрачену на парову сушарку. Блакитна колонка трохи менша, ніж червона, але найголовніше, що майже вся енергія знову використовується. Маленьке червоне поле праворуч показує втрати енергії на паровій сушарці. Вони обумовлені, передусім, втратою тепла через зовнішні стіни.

На Рис. 6 зображено баланс енергії та мас, з якого видно, що в установку подається 66,7 т гострого пару за годину з тиском 28 бар і з установки виходить 50,4 і 12,9 (разом 63,3 т) пари з тиском 3,7-3 бари, який використовується для випарювання. Після конденсування гострого пару в паровій сушарці конденсат знову повертається на ТЕЦ. Таким чином, кількість енергії, яка подається на установку, дорівнює енергії, що виходить з установки. Іншими словами, парова сушарка не є споживачем енергії, а лише позичає енергію для процесу і повертає її назад у перетвореному вигляді зі зниженими параметрами тиску пару.

Давайте розглянемо енергетичний баланс на заводі, де використовується барабанна сушарка (Рис. 7). Втрата енергії складе 47,6 МВт, що при загальній потужності заводу в 167,5 МВт дорівнює 28,4% потужності. Якщо барабанна сушарка замінена на парову (Рис. 8), то енергія на випарку подається в тій же кількості, як і раніше.

Уся енергія, яка раніше витрачалася на барабанну сушарку, зберігається. Окрім цього, кількість споживання енергії на котлах також скорочено зі 122 до 115  MBт. Це може бути дуже дивно, але цьому є пояснення: електрична енергія приводу вентилятора парової сушарки конвертована в теплову енергію, виробництво електроенергії скорочено, теплова енергія у жомі з темпертатурою 50 °C з підвищеним потенціалом у вигляді пари пішла на випарку.

Висушений паровий жом: більше та краще

При сушінні жому в барабанних сушарках можлива втрата сухої речовини (СР) (Рис.  9). Графік показує збір даних з барабанної сушарки де СР – функція температури газів, що надходять у барабанну сушарку. Всі дані – це точки, які зображено всередині червоного поля. Таким чином, при 900 °C втрати в барабанній сушарці складають 6-12% CР.

Використовуючи парову сушарку жому, втрат сухої речовини немає. До того ж, із жомом відбуваються зміни в процесі осушення паром під тиском у безкисневому середовищі. Дослідження Копенгазького Університету показали що, за час проходження парового жому через харчову систему у жуйних тварин, такиx як молочні породи корів, паровий жом засвоюється на 60% краще в перші години, а це свідчить про більш високі кормові властивості парового жому. Наразі проводяться подальші дослідження з годівлі паровим жомом у реальних умовах для отримання більш точних порівняльних показань.

Сушіння жому паром — найкраща альтернатива біогазу

У тонні буряка міститься близько 150 кг цукру, які можна отримати у вигляді цукру та меляси. М’якоть у буряках становить близько 5,5% або 55 кг, що дорівнює 250 кВт/год енергії на тонну буряка. Якщо висyшений на паровій сушарці жом використовувати як паливо для котлів, то можна повністю покрити потреби цукрового заводу в енергії, включаючи парову сушарку. Завод в Європі в середньому споживає 170 КВт/год енергії на тонну перероблених буряків. Це  означає, що при таких же параметрах витрат, завод може повністю забезпечити себе енергією та залишиться жом на продаж (Рис. 10). У випадку з біогазом, з жому навряд чи можна покрити половину потреби енергії цукрового заводу. Спалювання бурого жому у котлах для бурого вугілля було випробувано на одному з німецьких заводів протягом 10 днів, але економічно це недоцільно. Kоли завод вже отримав сухий жом, то вигідніше продати його як корм і придбати традиційне паливо у вигляді газу або вугілля для покриття енергетичних потреб.