Азбука элеватора

Обобщение знаний о зерносушении: как выбрать теплогенератор для шахтной зерносушилки

07.04.2022

О физике процесса обезвоживания. Что влияет на температуру нагрева зерна?

Молекулы воды переходят в пар при контакте с воздушной средой (то есть испаряются) при температуре, которая ниже температуры кипения. Это происходит быстрее, если воздушные массы двигаются над поверхностью воды. Интенсивность испарения увеличивается с понижением давления окружающего воздуха. При этом при испарении влаги с поверхности объекта наблюдается эффект охлаждения поверхности. Это явление наглядно проявляется, когда из сушилки пар выходит, а температура зерна при этом не повышается. Обычно это происходит при нехватке объема агента сушки.

Зерно – это капиллярно-пористое тело, то есть влага находится в капиллярах и физически и химически связана. Зона испарения находится на поверхности зерна, для внутреннего перемещения влаги из тела зерна к поверхности требуется время. Когда влага с поверхности зерна испарилась, зона испарения переходит внутрь тела (зерна) и температура тела начинает повышаться, при этом процесс испарения замедляется. Следует обратить внимание на то, что зерно под влиянием высоких температур теряет свои технологические характеристики.

Агент сушки (воздух) является влагопоглотителем. Влажность воздуха – это показатель, характеризующий количество водяного пара, содержащегося в воздухе. Чем горячее воздух, тем больше влажности он может принять и удержать в дополнение к уже имеющейся.

Однако чем выше температура отработанного агента по сравнению с необходимой для удержания имеющейся влаги, тем ниже доля (%) эффективно использованного тепла на обезвоживание (то есть на нагрев зерна и испарение влаги) – а значит, выше будет и себестоимость сушки.

Теплогенераторная установка, теплогенератор для зерносушилки: на что обратить внимание при выборе?

Тепловлагообмен при сушке зерна – это скорость обезвоживания зерна, определяемая проектировщиком/производителем зерносушилки. Исходя из производительности зерносушилки (то есть из количества выпариваемой влаги), производитель рассчитывает расход агента сушки, воздух для охлаждения зерна и расход теплоты при заданных или принятых климатических исходных данных.

Теплогенераторная установка (теплогенератор) – это изделие, которое нужно изготавливать на основании инженерных расчетов и экспериментальных исследований. Эффективное и экономически целесообразное сжигание традиционных ископаемых, древесины и агропеллет подлежит расчету!

Чтобы обеспечить требуемый объем тепла и его плотность для подбора теплогенератора, необходимо учесть:

• тепловую мощность сушилки для создания тепла;
• производительность вентиляторов для перемещения агента сушки и воздуха охлаждения;
• рекомендуемую температуру агента сушки.

Все эти характеристики должен предоставить производитель или поставщик зерносушилки. Не углубляясь в науку, приведу немного теории, чтобы вы имели возможность сделать свой выбор или «поладить» с уже имеющимся теплогенератором.

Теплогенератор имеет топку, она характеризуется следующими параметрами:

• Тепловое напряжение топочного объема Qv, кВт/м³ (ккал/м³×ч) характеризует условия сжигания топлива. Величина Qv обратно пропорциональна времени нахождения частиц топлива в топочном объеме при равномерном заполнении объема продуктами сгорания (топочными газами).
• Тепловое напряжение поперечного сечения топки Qf, кВт/м² (ккал/м²×ч) характеризует условия шлаковки стен топочной камеры (т.е. надежность работы топки). Величина Qf прямо пропорциональна средней скорости движения топочных газов в топке при условии равномерности заполнения сечения.
• Тепловое напряжение (теплонапряжение) зеркала горения Qr, кВт/м² (ккал/м²×ч) – это количество тепла, полученного от сжигания топлива на 1 м² плоскости.
• Другими параметрами, которые оставим для проектировщиков теплогенераторов.

Рассмотрим детальнее тепловое напряжение зеркала горения:

где В – расход топлива, кг/ч;

R – площадь зеркала горения, м².

Теплонапряжение зеркала горения для различных видов топлива предоставляется в справочных таблицах учебников по проектированию котельных установок и пр. или в исследовательских работах учёных. Например, для пеллет из продуктов растительного происхождения встречалась такая наработка: Qr = 800кВт/м² = 687876 ккал/м²*ч.

Низшую теплоту сгорания берем из сертификатов качества топливных гранул (как правило, этот параметр колеблется от 3500 до 4100 ккал/кг). Расход топлива на зерносушку, опираясь на опыт действующих предприятий, составляет 2–5 кг на 1 т/% влаги.

Таким образом можем рассчитать необходимую площадь зеркала горения и обсуждать с производителем или поставщиком теплогенератора габаритные размеры установки.

Пока я уверен, что поставщик теплогенератора будет приводить объяснения о различных технологиях и оборудовании для сжигания биомассы (слойные, вихревые/циклонные, псевдоразжиженные, способом распыления и др.). И это правда. Но качественное сжигание твердого топлива в теплогенераторе возможно при следующих условиях:

• Необходимой температуры в камере сжигания для горения горючих газов.
• Необходимого объема топки, чтобы обеспечить перемешивание горючих газов и время нахождения топлива для его полного сжигания.
• Избытке кислорода, необходимого для полного сжигания твердого топлива.
• Важна также скорость подачи воздуха в топку, чтобы частицы топлива не выносило в сушилку.

Обязательно учитывайте, что мощность котла теплогенератора может упасть на 25–30% при использовании менее калорийного топлива (при условии, что влажность топлива находится в допустимых нормах) или на 30–40% при повышенной влажности топлива.

Дополнительные организационно-технические вопросы использования твердого топлива при сушке зерна: зола, очистка дымовых газов/канцерогены

Отдельно следует обратить внимание на то, что любой твердый вид топлива после себя оставляет золу.

• Для агропромышленной пеллеты приемлемым (или нормированным) является остаток 0,5–3,0% от объема топлива.
• Однако согласно сертификата производителя этот показатель может достигать 10% и даже больше.
• Если при эксплуатации теплогенератора золы вообще нет – то есть и одного процента от объема – подумайте над вопросом, куда она делась…

Хранение и утилизация золы должны быть темой отдельного материала, оставим этот вопрос за скобками данной серии публикаций.

Акцентирую внимание, что все виды топливной биомассы содержат в себе тяжелые металлы, которые остаются в золе или улетучиваются и в таком виде могут быть токсичными, даже канцерогенами.

Также отдельной темой является газоочистное оборудование, ведь при сгорании формируются «побочные продукты», которые испаряются в агент сушки: такие как оксиды азота, аммиак, хлор, оксиды серы, бенз(а)пирен и другие. Обратите внимание, что циклоны не очищают от «вредных газов» и указанных примесей.

Нужен ли теплообменник при использовании теплогенератора?

Исключить попадание вредных газов в зерно при сушке возможно с помощью теплообменника. Сейчас есть предложения применения жидкостных теплообменников (водо-воздушных, масляно-воздушных) или воздухо-воздушных теплообменников. Самым простым решением видится применение воздухо-воздушного теплообменника.

Сформулировать кратко критерии визуального определения эффективного теплообменника сложно из-за того, что у производителей могут существенно отличаться конструктивные характеристики: количество каналов (труб), количество ходов, расстояние между перегородками и пр.

Для начала разговора о теплообменнике с поставщиком нужно знать, что тепловой расчет начинается с определения тепловой нагрузки.

• Тепловая нагрузка представляет собой количество теплоты, которое передается от горячего теплоносителя к холодному.
• Коэффициент теплопередачи является количественной величиной, характеризующей сложный теплообмен.
• Коэффициент теплопередачи зависит от коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стены и загрязнений.

Теплообменник должен быть чистым. Самым простым примером, чтобы это доказать без измерений, является автомобильный радиатор. Понятно, что чем больше ребер – тем больше площадь теплосъема. А чем больше он загрязнен – тем хуже эффективность его работы. Обратите внимание, что теплообменник имеет собственное сопротивление.

Какие эксплуатационные вопросы необходимо задать проектировщику/поставщику решения с теплообменником:

1. Как реализуется процесс чистки теплообменника? На мой взгляд, возможность очистки должна быть с обеих сторон перегородки, расположенной между потоками, которые нагревают и нагреваются. Ведь с одной стороны перегородки могут образоваться отложения (нагар, сажа, зола), а с другой – зерновая и органическая пыль, ржавчина (в воздухо-воздушном теплообменнике любого типа может образовываться конденсат).
2. Сколько времени нужно потратить на подготовку к очистке?
3. Сколько времени займет непосредственно очистка теплообменника?
4. Каков гарантированный срок использования теплообменника до капитального ремонта?
5. Как будет преодолено собственное сопротивление теплообменника? Возможны два решения: установка собственных вентиляторов (отдельных, именно для теплообменника) или согласование с поставщиком зерносушилки установки более мощных вентиляторов по сравнению с базовыми.
6. Каков опыт эксплуатации? Есть ли возможность личного общения с эксплуатантами?

Более сложным, и потому более ответственным, является процесс эксплуатации жидкостных теплообменников с паровыми или водо- и маслогрейными котельными установками. Их использование целесообразно, если помимо обезвоживания зерновых или масличных культур вы намерены осуществлять глубокую переработку культур или производить электрическую энергию и тепло на постоянной основе. До начала поиска поставщика решений обязательно ознакомьтесь с действующими Правилами технической эксплуатации тепловых установок и сетей. При необходимости особенности выбора и эксплуатации такого оборудования рассмотрим отдельно.

Автор – Роман Штельмах, директор департамента клиентского сервиса KMZ Industries (Facebook, Linkedin)