Ξήρανση λιγνίτη διαφόρων προελεύσεων σε πιλοτική κλίμακα τοροειδούς ρευστοποιημένου κρεβατιού στεγνωτήρα με χρήση θερμότητας χαμηλής ποιότητας
ΕΝΑαφηρημένη
Πραγματοποιήθηκε πειραματική μελέτη για λιγνίτες διαφορετικών τόπων προέλευσης, π.χ. Πολωνίας, Ελλάδας, Ρουμανίας και Αυστραλίας, με τη χρήση στεγνωτηρίου τοροειδής κλίνης. Η επίδραση της θερμοκρασίας στην απόδοση ξήρανσης, συμπεριλαμβανομένης της απώλειας της περιεκτικότητας σε υγρασία με την πάροδο του χρόνου υπό σταθερές συνθήκες ξήρανσης ήταν το αντικείμενο της έρευνας. Ο κύριος στόχος ήταν να επιβεβαιωθεί η δυνατότητα χρήσης μιας δακτυλιοειδούς κλίνης ως βάσης για ένα σύστημα ξήρανσης που θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει χαμηλής ποιότητας θερμότητα από πηγές όπως τα καυσαέρια από έναν λέβητα και να καθορίσει τις βέλτιστες παραμέτρους για ένα τέτοιο σύστημα. Η μελέτη που διεξήχθη έχει αποδείξει αδιαμφισβήτητα τη σκοπιμότητα χρήσης πηγών θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας για την ξήρανση του λιγνίτη σε δακτυλιοειδή κλίνη. Μια περιεκτικότητα σε υγρασία 20% θα μπορούσε να επιτευχθεί για τους περισσότερους από τους λιγνίτες που δοκιμάστηκαν, χρησιμοποιώντας τη σπειροειδή κλίνη, με λογικά σύντομους χρόνους παραμονής (περίπου 30 λεπτά) και θερμοκρασία αέρα έως και 60 °C. Επιπλέον, η μεταβολή της κατανομής του μεγέθους των σωματιδίων, σε κάποιο βαθμό, επηρέασε την τελική περιεκτικότητα σε υγρασία λόγω της παρασύρσεως υγρών, λεπτών σωματιδίων. Η μελέτη καθόρισε επίσης ότι η τριβή στο κρεβάτι των σωματιδίων είναι εν μέρει υπεύθυνη για τη δημιουργία λεπτών.
Λέξεις-κλειδιά:
ξήρανση;λιγνίτης;σπειροειδής κρεβάτι;τριβή;ενεργειακή απόδοση
1. Εισαγωγή
1.1. Ξήρανση Λιγνίτη
Ο λιγνίτης είναι ένα στερεό ορυκτό καύσιμο που χρησιμοποιείται κυρίως για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Παρά τις πρόσφατες αυξήσεις στην εγκατεστημένη ισχύ από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, η χρήση του λιγνίτη εξακολουθεί να είναι σημαντική σε όλο τον κόσμο. Το 2015 η παγκόσμια εξόρυξη λιγνίτη έφτασε τους σχεδόν 811 εκατομμύρια τόνους [1], συμπεριλαμβανομένων 399 εκατομμυρίων τόνων που εξορύσσονται σε ολόκληρη την ΕΕ [2]; το μερίδιο της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που προέρχεται από λιγνίτη υπερβαίνει το 20 % σε πολλές χώρες όπως η Αυστραλία, η Βουλγαρία, η Τσεχία, η Γερμανία, η Ελλάδα, η Πολωνία, η Ρουμανία, η Σερβία και άλλες [2]. Ο λιγνίτης είναι στερεό καύσιμο χαμηλής ποιότητας [3], που χαρακτηρίζεται από υψηλή περιεκτικότητα σε υγρασία. Η μείωση της περιεκτικότητας σε υγρασία του λιγνίτη πριν από τη χρήση του μπορεί να αυξήσει τη θερμογόνο δύναμη του, να μειώσει το κόστος της μεταφοράς του σε μεγάλες αποστάσεις και να μειώσει τις εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου από τη χρήση του. Η ξήρανση είναι επίσης μια τυπική προϋπόθεση για τεχνολογίες που στοχεύουν στην παραγωγή προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας από λιγνίτη, όπως τροποποιήσεις εδάφους [4]. Ως εκ τούτου, μια έρευνα με στόχο τον εξορθολογισμό της χρήσης του λιγνίτη και ταυτόχρονα την αξιοποίηση της χαμηλής ποιότητας θερμότητας, που διαφορετικά θα είχε σπαταληθεί, φαίνεται να δικαιολογείται.
Πρόσφατα έχει γίνει πολλή δουλειά σε θεμελιώδεις πτυχές της ξήρανσης του λιγνίτη. Park et al. ερεύνησε την επίδραση του χρόνου ξήρανσης, της θερμοκρασίας και της ταχύτητας του ξηραντικού στην απόδοση ξήρανσης του λιγνίτη της Ινδονησίας και ανέπτυξε ένα μαθηματικό μοντέλο που θα επέτρεπε την πρόβλεψη της περιεκτικότητας σε υγρασία ανάλογα με το χρόνο παραμονής και τις συνθήκες ξήρανσης.5]. Si et al. διερεύνησε μια ξήρανση ρευστοποιημένης κλίνης υποβοηθούμενη από μικροκύματα 3 σταδίων λιγνίτη σβώλου Shengli και προσδιόρισε ότι το πορώδες του αποξηραμένου λιγνίτη μειώθηκε με την αύξηση της ισχύος των μικροκυμάτων [6]. Song et al. προσδιόρισε ότι η συνολική περιεκτικότητα σε υγρασία του λιγνίτη από την ανατολική Εσωτερική Μογγολία μειώθηκε πιο γρήγορα υπό υψηλότερη ισχύ μικροκυμάτων [7]. Οι Pusat και Herdem προσδιόρισαν τα χαρακτηριστικά ξήρανσης του τουρκικού λιγνίτη Konya-Ilgin σε στεγνωτήριο σταθερής κλίνης [8]. Η μελέτη προσδιόρισε ότι ο απαιτούμενος χρόνος στεγνώματος αυξήθηκε με την αύξηση του ύψους της κλίνης και η επίδραση της θερμοκρασίας στον ρυθμό στεγνώματος αυξήθηκε με την αύξηση του ύψους της κλίνης [8]. Οι Yang et al. δοκίμασε πειραματικά την επαναρρόφηση υγρασίας από τον λιγνίτη μετά από ξήρανση σε σταθερή κλίνη και προσδιόρισε την υψηλότερη απόδοση υγρασίας που απορροφήθηκε ξανά για λιγνίτη που ξηράνθηκε στους 100 °C λόγω της υψηλής σχετικής αναλογίας όγκου των μεσοπόρων [9]. Feng et al. διερεύνησε την επίδραση της Μηχανικής Θερμικής Έκφρασης στη δομή του λιγνίτη και προσδιόρισε τις αλλαγές στον όγκο των πόρων μεταξύ του ακατέργαστου λιγνίτη και των λιγνιτών που ξηράνθηκαν σε θερμοκρασίες ξήρανσης μεταξύ 120 °C και 150 °C υπό πιέσεις 10 MPa και 30 MPa αντίστοιχα.10]. Οι Wen et al. διερεύνησε την κινητική ξήρανσης του ακατέργαστου και επανα-υγραμένου λιγνίτη και προσδιόρισε ότι ο ρυθμός ξήρανσης του πρώτου ήταν πιο αργός σε σύγκριση με τον δεύτερο [11]. Επιπλέον, η μελέτη διαπίστωσε ότι ο αποτελεσματικός συντελεστής διάχυσης για τον ενυδατωμένο λιγνίτη είναι υψηλότερος από μια αντίστοιχη τιμή για έναν ακατέργαστο λιγνίτη.11].
Pawlak-Kruczek et al. διεξήγαγε μια μελέτη που περιελάμβανε τόσο πειραματική διερεύνηση όσο και αριθμητική προσομοίωση ξήρανσης λιγνίτη σε ρευστοποιημένη κλίνη, χρησιμοποιώντας ξηραντικό χαμηλής θερμοκρασίας (αέρας, μέγ. 50 °C) [12]. Η μελέτη απέδειξε τη συνολική σκοπιμότητα της έννοιας της χρήσης μιας πηγής θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας. Επιπλέον, η μελέτη αποκάλυψε τη σημασία παραγόντων όπως οι δομικές ιδιότητες του λιγνίτη μαζί με τη συρρίκνωσή του κατά την ξήρανση.12]. Αγρανιώτης κ.ά. συνέκρινε προσομοιώσεις CFD με πειραματικά αποτελέσματα από εγκατάσταση καύσης κονιοποιημένου καυσίμου 1 MWth [13]. Τα αποτελέσματα έδειξαν καλή συμφωνία μεταξύ της προσομοίωσης και των πειραματικών αποτελεσμάτων. Οι θερμοκρασίες που μετρήθηκαν κατά μήκος του άξονα του κλιβάνου, ειδικά στο κάτω μέρος του κλιβάνου, ήταν υψηλότερες για την περίπτωση καύσης ξηρού λιγνίτη, όπου οι ατμοί και το φέρον αέριο δεν επανακυκλοφορούσαν στον κλίβανο.13]. Αυτό φαίνεται να συμφωνεί καλά με τα αποτελέσματα μιας άλλης μελέτης, που διεξήχθη από τους Tahmasebi et al. που διερεύνησε τη σχέση μεταξύ της περιεκτικότητας σε υγρασία και της ανάφλεξης των σωματιδίων του κινεζικού και ινδονησιακού λιγνίτη [14]. Αυτή η μελέτη προσδιόρισε ότι η αύξηση της περιεκτικότητας σε υγρασία του ελεγχόμενου λιγνίτη καθυστέρησε σημαντικά την ανάφλεξή τους [14]. Αριθμητικές προσομοιώσεις, που πραγματοποιήθηκαν από τους Drosatos et al. απέδειξε ότι η χρήση προξηρανθέντος λιγνίτη μπορεί να βελτιώσει την ευελιξία του λέβητα και να επιτρέψει τη λειτουργία του υπό εξαιρετικά χαμηλό φορτίο, ίσο με το 35% του ονομαστικού φορτίου [15]. Οι Komatsu et al. διεξήγαγε πειράματα που περιελάμβαναν ξήρανση χονδροειδών σωματιδίων λιγνίτη, χρησιμοποιώντας υπέρθερμο ατμό στους 110 °C έως τους 170 °C [16]. Η μελέτη κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η τιμή του ρυθμού ξήρανσης, κατά την περίοδο σταθερού ρυθμού ξήρανσης εξαρτιόταν αποκλειστικά από τη θερμοκρασία και το μέγεθος σωματιδίων του λιγνίτη, ενώ η σχέση κατά τη διάρκεια της περιόδου μειούμενου ρυθμού ξήρανσης ήταν πολύ πιο περίπλοκη λόγω των ρωγμών που άρχισαν να σχηματίζονται στην επιφάνεια του το αποξηραμένο σωματίδιο [16]. Οι Pusat et al. διερεύνησε ξήρανση του τουρκικού λιγνίτη σε σταθερή κλίνη, χρησιμοποιώντας αέρα ξήρανσης σε θερμοκρασίες μεταξύ 70 °C και 130 °C και ταχύτητες μεταξύ 0,4 και 1,1 m/s [17]. Το μέγεθος των σωματιδίων του λιγνίτη κυμαινόταν μεταξύ 20 και 50 mm και για τέτοια χονδροειδή σωματίδια δεν παρατηρήθηκε σταθερή περίοδος ρυθμού ξήρανσης κατά τη διάρκεια των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν.17]. Sciazko et al. πραγματοποίησε πειραματικές έρευνες σχετικά με την επίδραση των πετρογραφικών ιδιοτήτων στα χαρακτηριστικά ξήρανσης του λιγνίτη Turoszów σε ξήρανση με υπέρθερμο ατμό [18]. Έγινε διερεύνηση, χρησιμοποιώντας σφαιρικά σωματίδια 5 mm και 10 mm, με θερμοκρασίες που κυμαίνονταν από 110 °C έως 170 °C [18] και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο χρόνος στεγνώματος, ο ρυθμός ξήρανσης, οι διαβαθμίσεις θερμοκρασίας, η συμπεριφορά ρωγμών και συρρίκνωσης εξαρτώνται από τον λιθότυπο του λιγνίτη που δοκιμάστηκε [18].
Η θραύση και η τριβή κατά την ξήρανση του λιγνίτη της Αυστραλίας σε σταθερή κλίνη και ρευστοποιημένη κλίνη σε θερμοκρασία 130 °C ήταν το αντικείμενο μιας εκτενούς μελέτης που διεξήχθη από τους Stokie et al. [19]. Η μελέτη κατέληξε στο συμπέρασμα ότι ο κύριος λόγος για τη θραύση είναι η μετάβαση μεταξύ χύδην και μη παγώσιμου νερού [19]. Οι αλλαγές στο μέγεθος των σωματιδίων μεταξύ μικρής σταθερής κλίνης και μικρής ρευστοποιημένης κλίνης (δείγμα 10 g), που υποδεικνύεται με διάμετρο d50, ήταν ασήμαντες. Ωστόσο, μια σημαντική διαφορά στην αλλαγή στο μέγεθος των σωματιδίων σημειώθηκε για τη μεγάλη ρευστοποιημένη κλίνη (μέγεθος δείγματος 3 kg) υποδεικνύοντας τη μεγάλη επίδραση της επίδρασης της κλίμακας της κλίνης.
1.2. Toroidal Bed Reactor
Ο αντιδραστήρας σπειροειδούς ρευστοποιημένης κλίνης είναι ένας ειδικός τύπος αντιδραστήρα ρευστοποιημένης κλίνης, με σύστημα διανομής αερίου που αποτελείται από γωνιώδεις λεπίδες, που βρίσκονται στο κάτω μέρος του αντιδραστήρα [20]. Αυτή η διάταξη επιτρέπει την εντατικοποίηση της απόδοσης του κρεβατιού [21,22], δηλαδή, εντατικοποίηση της μεταφοράς θερμότητας και μάζας [20,21] καθώς και βελτιωμένη ανάμειξη [21,23,24]. Αυτό οφείλεται στο μοτίβο ροής στροβιλισμού και είναι χαρακτηριστικό για όλους τους αντιδραστήρες δίνης [24,25,26,27]. Όσον αφορά την απόδοση του αντιδραστήρα, επιτρέπει αυξημένη απόδοση (αυξημένη παραγωγικότητα) με μειωμένους χρόνους παραμονής [28]. Το μεγαλύτερο μέρος των εργασιών που έχουν δημοσιευτεί μέχρι τώρα, σε τέτοιους τύπους κλινών, περιλαμβάνει διάφορους τύπους θερμικής επεξεργασίας [29,30], διαδικασία φρύξης [31] ή εντατικοποίηση της ρόφησης για δέσμευση άνθρακα [32]. Υπάρχουν ελάχιστες πληροφορίες σχετικά με την ξήρανση σε τέτοιες ρευστοποιημένες κλίνες με σχήματα δακτυλιοειδούς ροής [33]. Η παρούσα μελέτη στοχεύει να αντιμετωπίσει αυτό το κενό γνώσης.
1.3. Στόχοι, Πεδίο και Καινοτομίες του Εκτελεσθέντος Έργου
Όπως φαίνεται στοΕνότητα 1.1, η ξήρανση του λιγνίτη είναι μια πολύπλοκη διαδικασία, που εξαρτάται από πολλές παραμέτρους (θερμοκρασία, χρόνος παραμονής, παράγοντας ξήρανσης, μέθοδος ξήρανσης και ιδιότητες του λιγνίτη). Υπάρχει ένα κενό γνώσης, σχετικά με την κινητική ξήρανσης και την κατανάλωση ενέργειας για ξήρανση σε εξαιρετικά τυρβώδεις τοροειδείς κλίνες. Επιπλέον, αποτελεί προϋπόθεση για οποιεσδήποτε μελέτες που στοχεύουν στην ενσωμάτωση τέτοιων ξηραντηρίων, με χαμηλής ποιότητας απορριπτόμενη θερμότητα, σε λιγνιτικούς σταθμούς. Αυτό θα επέτρεπε σε κάποιον να συγκρίνει τις πιθανές εξοικονομήσεις από τη χρήση νέων λύσεων με την εξοικονόμηση ενέργειας, που έχει ήδη αποδειχθεί για υπάρχουσες λύσεις ξήρανσης λιγνίτη, χρησιμοποιώντας ξηραντικούς παράγοντες σε υψηλότερες θερμοκρασίες [34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46].
Αυτή η μελέτη στοχεύει να καλύψει αυτό το κενό με τη διερεύνηση της ξήρανσης λιγνιτών διαφόρων προελεύσεων σε ένα δακτυλιοειδές στρώμα, χρησιμοποιώντας τον αέρα ως ξηραντικό παράγοντα. Αναμενόταν ότι μια τέτοια διαμόρφωση θα προκαλέσει εντατικοποίηση της μεταφοράς μάζας και θερμότητας, επιτρέποντας στη συνέχεια τη χρήση του ξηραντικού σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία. Πραγματοποιήθηκε πειραματική μελέτη, με τη χρήση στεγνωτηρίου δακτυλιοειδούς κλίνης, για λιγνίτες διαφορετικών χωρών προέλευσης, δηλαδή Πολωνία, Ελλάδα, Ρουμανία και Αυστραλία. Η επίδραση της θερμοκρασίας στην αποτελεσματικότητα της ξήρανσης, συμπεριλαμβανομένης της απώλειας της περιεκτικότητας σε υγρασία με την πάροδο του χρόνου σε σταθερές συνθήκες ξήρανσης ήταν αντικείμενο της έρευνας. Προσδιορίστηκαν και συγκρίθηκαν οι κινητικές της ξήρανσης και η κατανάλωση ενέργειας κατά την ξήρανση σε διαφορετικές μέσες θερμοκρασίες. Η μελέτη είχε ως στόχο να προσδιορίσει το βέλτιστο των παραμέτρων της διαδικασίας ξήρανσης, δηλαδή τη θερμοκρασία και τον χρόνο παραμονής, λαμβάνοντας υπόψη τον ρυθμό ξήρανσης και την κατανάλωση ενέργειας. Ωστόσο, άλλοι παράγοντες, όπως η σχετική υγρασία του ξηραντικού παράγοντα μαζί με τις εγγενείς ιδιότητες της πρώτης ύλης είχαν επίσης μια βαθιά επίδραση στη διαδικασία ξήρανσης. Η μεθοδολογία που χρησιμοποιείται στη μελέτη είναι καθολικά εφαρμόσιμη για τις διαδικασίες ξήρανσης γενικά. Από αυτή την άποψη, η εκτελεσθείσα σειρά πειραμάτων μπορεί να αντιμετωπιστεί ως μελέτη περίπτωσης που αποδεικνύει την ευρεία εφαρμογή της μεθόδου δοκιμής.
Ο κύριος σκοπός της μελέτης που διεξήχθη ήταν να επιβεβαιώσει τη δυνατότητα χρήσης δακτυλιοειδούς κλίνης ως βάσης για ένα σύστημα ξήρανσης που θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει χαμηλής ποιότητας θερμότητα από πηγές όπως καυσαέρια από λέβητα. Ένας τέτοιος τύπος ξηραντήρα ρευστοποιημένης κλίνης δεν έχει χρησιμοποιηθεί ποτέ για ξήρανση λιγνίτη, γεγονός που, μαζί με την πιθανή χρήση χαμηλής ποιότητας θερμότητας, υπογραμμίζει την καινοτομία της μελέτης που εκπονήθηκε. Επιπλέον, η μελέτη που διεξήχθη είχε στόχο να βρει τις πιο αποτελεσματικές παραμέτρους του ξηραντήρα, δηλαδή τις παραμέτρους που επιτρέπουν σε κάποιον να επιτύχει την ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας για την απομάκρυνση 1 kg H2O που περιέχεται στην επιφάνεια και στους πόρους των σωματιδίων του λιγνίτη.
2. Υλικά και Μέθοδοι
2.1. Χαρακτηριστικά των Ελεγμένων Λιγνιτών
Δείγματα πολωνικού λιγνίτη ελήφθησαν από το ανοιχτό ορυχείο Sieniawa. Ο λιγνίτης από τη Sieniawa αποτελείται κυρίως από ξυλοδετριτικούς και αποτροξυλυτικούς λιθότυπους [47]. Ο ελληνικός λιγνίτης προμηθεύτηκε από το ορυχείο South Field που τροφοδοτεί τον σταθμό ηλεκτροπαραγωγής του Αγίου Δημητρίου που λειτουργεί από τη ΔΕΗ. Δείγμα ρουμανικού λιγνίτη ελήφθη από το ορυχείο Peșteana, το οποίο παρέχει καύσιμα στον ηλεκτροπαραγωγικό σταθμό Rovinari του Ενεργειακού Συγκροτήματος Oltenia. Ο αυστραλιανός λιγνίτης ελήφθη από το ορυχείο Yallourn στην κοιλάδα Latrobe, το οποίο τροφοδοτεί το εργοστάσιο ηλεκτροπαραγωγής Yallourn της Energy Australia. Όλοι οι λιγνίτες είχαν προθρυμματιστεί στο ονομαστικό μέγεθος κορυφής των 8 mm, πριν από τις δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν.
Ο βασικός χαρακτηρισμός των λιγνιτών που χρησιμοποιήθηκαν για αυτή τη μελέτη πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια προσεγγιστικής και τελικής ανάλυσης, η οποία είναι τυπικός τρόπος χαρακτηρισμού στερεών καυσίμων. Προσεγγιστική ανάλυση των λιγνιτών (Πίνακας 1) πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας Perkin Elmer Diamond TGA (331 Treble Cove Rd., Billerica, ΜΑ 01862, USA). Κατά τη διάρκεια αυτών των δοκιμών εφαρμόστηκε το ακόλουθο πρόγραμμα:
Πίνακας 1.Προσεγγιστική και στοιχειακή ανάλυση ελεγμένων λιγνιτών.
(1) Αρχικό στάδιο
∘
Θέρμανση έως 105 °C. ράμπα 10 °C/λεπτό
∘
Κρατήστε 10 λεπτά
(2 α) Για τη λήψη περιεκτικότητας σε τέφρα χρησιμοποιήθηκε αέρας:
∘
Θέρμανση έως 815 °C. ράμπα 50 °C/λεπτό
∘
Κρατήστε 15 λεπτά
(2 β) Για τη λήψη περιεκτικότητας σε πτητικές ουσίες χρησιμοποιήθηκε αργό:
∘
Θέρμανση έως 850 °C. ράμπα 50 °C/λεπτό
∘
Κρατήστε 15 λεπτά
Η υψηλότερη τιμή θέρμανσης προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας ένα βασικό θερμιδόμετρο βόμβας IKA C2000 (KA®-Werke GmbH & Co. KG, Janke & Kunkel-Str. 10, 79219 Staufen, Γερμανία), σε συμμόρφωση με τον κανόνα ISO 1928. Χρησιμοποιήθηκε η ισοπεριβολική μέθοδος. Η χαμηλότερη τιμή θέρμανσης υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας την περιεκτικότητα σε υγρασία και υδρογόνο. Τελική ανάλυση (Πίνακας 1) πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας έναν αναλυτή Perkin Elmer 2400 (331 Treble Cove Rd., Billerica, MA 01862, USA), σύμφωνα με το πολωνικό πρότυπο PKN-ISO/TS 12902:2007. Η κατανομή μεγέθους σωματιδίων προσδιορίστηκε χρησιμοποιώντας ένα σύνολο βαθμονομημένων κόσκινων, σύμφωνα με το ISO 3310-1.
2.2. Εξέδρα δοκιμών — Τοροειδής στεγνωτήρας κρεβατιού με ρευστό
Κατά τη διάρκεια της σειράς πειραμάτων που περιγράφονται σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιήθηκε μια σπειροειδής διάταξη ρευστοποιημένης κλίνης για την εκτέλεση της ξήρανσης. Ένα διάγραμμα της εγκατάστασης φαίνεται στοΕικόνα 1. Η εξέδρα δοκιμής λειτούργησε σε λειτουργία παρτίδας. Μια παρτίδα περίπου 2,5 kg λιγνίτη τροφοδοτήθηκε χειροκίνητα μέσω μιας χοάνης τροφοδοσίας (Ε4 σεΕικόνα 1) κατά τη διάρκεια κάθε δοκιμής. Η θερμοκρασία του αέρα ξήρανσης διατηρήθηκε χρησιμοποιώντας δύο θερμαντήρες με σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας, το καθένα με ονομαστική ισχύ 3 kW (Ε20 και Ε17 σεΕικόνα 1). Ο αέρας ξήρανσης τροφοδοτήθηκε από έναν φυσητήρα (E3 inΕικόνα 1) με ρυθμό ροής του θερμού αέρα περίπου 130 m3/h προκειμένου να ληφθούν οι ίδιες ταχύτητες για κάθε μία από τις δοκιμές. Ο ρυθμός ροής ελεγχόταν χρησιμοποιώντας βαλβίδες (E7 inΕικόνα 1).
Εικόνα 1.Τοποθέτηση torbed — διάγραμμα.
Το στεγνωτήριο δακτυλίου κρεβατιού, φαίνεται στοΕικόνα 1, είναι μια κατακόρυφη κυλινδρική στήλη κλειστή στην κορυφή με έναν ανεστραμμένο κόλουρο κώνο, όπου η ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ του αέρα και του αποξηραμένου υλικού λαμβάνει χώρα απευθείας. Στο κάτω μέρος του θαλάμου ρευστοποίησης τοποθετούνται λεπίδες στροβιλισμού προκειμένου να δημιουργηθεί μια δίνη στο εσωτερικό του θαλάμου ξήρανσης.
Κατά τη διάρκεια της σειράς των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν μετρήθηκαν οι ακόλουθες παράμετροι: θερμοκρασία, σχετική υγρασία, ρυθμός ροής αέρα και κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας από καθεμία από τις συσκευές. Εγκαταστάθηκαν αισθητήρες θερμοκρασίας και υγρασίας στην είσοδο του θερμού αέρα στο στεγνωτήριο (T4 και Rh1 σεΕικόνα 1) και στην έξοδο της εγκατάστασης (T2 και Rh2 inΕικόνα 1). Οι θερμοκρασίες μετρήθηκαν χρησιμοποιώντας τυπικούς αισθητήρες Pt1000, με προδιαγραφές συμβατές με απαιτήσεις κλάσης Α που ορίζονται στο EN 60751. Σχετική υγρασία (RH), η οποία είναι ο όγκος υδρατμών στον αέρα διαιρεμένος με τον μέγιστο όγκο υδρατμών, για μια δεδομένη θερμοκρασία και πίεση , μετρήθηκε με χρήση αισθητήρων HC1000-400 και πομπών EE31 με εύρος εργασίας από 0 έως 100% RH, εύρος θερμοκρασίας από −40 έως 80 °C, χρόνο απόκρισης < 15 s και ακρίβεια φθάνοντας το 2,4% (για το διάστημα εμπιστοσύνης του 95%). Ο ρυθμός ροής του αέρα ξήρανσης μετρήθηκε με μετρητή ροής μάζας FCI ST-50 με ακρίβεια ±2% της ένδειξης. Το ηλεκτρικό φορτίο του φυσητήρα μετρήθηκε με μετρητή Watt χρησιμοποιώντας μετρητή δικτύου ND20 που παρήγαγε η Lumel, με ακρίβεια ±1% του εύρους μέτρησης (1,65 kW). Όλες οι τιμές καταγράφηκαν με ένα διάστημα δειγματοληψίας 1 δευτερολέπτου.
2.3. Μοντέλο υπολογισμού μηδενικών διαστάσεων του στεγνώματος — το ισοζύγιο θερμότητας του στεγνωτηρίου
Ένα διάγραμμα ενός μοντέλου μηδενικών διαστάσεων του στεγνωτηρίου, που χρησιμοποιήθηκε για αυτή τη μελέτη, φαίνεται στοΕικόνα 2. Το μοντέλο περιγράφει ένα στεγνωτήριο ενός σταδίου με έναν πρόσθετο εξωτερικό θερμαντήρα ξηραντικού. Το μοντέλο αποτελείται από μερικά επιμέρους στοιχεία. Χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της ενέργειας που καταναλώθηκε από το στεγνωτήριο σε όλο το πείραμα, καθώς και για τον υπολογισμό της μάζας του νερού που αφαιρέθηκε, με βάση τη σχετική υγρασία του αέρα στην έξοδο του στεγνωτηρίου. Σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, το άθροισμα της ενθαλπίας που εισέρχεται στο στεγνωτήριο πρέπει να είναι ίσο με το άθροισμα της ενθαλπίας που εξέρχεται από το στεγνωτήριο. Η εξίσωση του αντίστοιχου μοντέλου του στεγνωτηρίου είναι:
��1+��2=��3+��4+��5�1+�2=��3+�4+�5
(1)
όπου:
Εικόνα 2.Διάγραμμα στεγνωτηρίου μονού σταδίου με πρόσθετο εξωτερικό θερμαντήρα ξηραντικού.
��1�1 είναι η ενθαλπία του αέρα ξήρανσης στην έξοδο του εναλλάκτη θερμότητας.
��2�2 είναι η ενθαλπία του υγρού λιγνίτη που εισέρχεται στο στεγνωτήριο, η οποία θα μπορούσε να διαχωριστεί στην ενθαλπία του νερού στο υλικό και στην ενθαλπία της ξηρής ύλης.
��3�3 είναι η ενθαλπία του υγρού αέρα που φεύγει από το στεγνωτήριο.
��4�4 είναι η ενθαλπία του αποξηραμένου λιγνίτη που εξέρχεται από το στεγνωτήριο.
Το ��5�5 αντιπροσωπεύει την απώλεια της ενθαλπίας στο περιβάλλον από το περίβλημα του στεγνωτηρίου.
Σύμφωνα με το πρότυπο EN ISO 13788:2001 υπολογίστηκε η πίεση κορεσμένων ατμών:
���������=610·��17.269·��237,5+�� �����������≥0 °��������=610·�17.269·�237,5 +�������≥0 °�
(2)
όπου:
σελκάθισε— κορεσμένη πίεση ατμών, Pa;
Τ— θερμοκρασία, °C.
Απόλυτη περιεκτικότητα σε υγρασία στον αέρα, λαμβάνοντας υπόψη τη μετρούμενη σχετική υγρασία:
��=0,622��·������������100·�����������������=0,622�������100·�
(3)
όπου:
Χ—απόλυτη περιεκτικότητα σε υγρασία στον αέρα, kg·m−3 (ξηρός αέρας).
φ— σχετική υγρασία αέρα, %;
σελ—Υγρή (περιβαλλοντική) πίεση αέρα, Pa;
σελκάθισε— κορεσμένη πίεση ατμών, Pa.
Η αύξηση της περιεκτικότητας σε υγρασία στον αέρα που αντιστοιχεί στην απώλεια υγρασίας στον λιγνίτη:
Δ��=0,622(��2·���������2100 ·. 0100·�-�0·����0)
(4)
όπου:
ΔΧ—αύξηση της απόλυτης υγρασίας του ξηραντικού παράγοντα (αέρας), kg·m−3.
Η ποσότητα νερού που αφαιρείται από τον λιγνίτη σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα αντιστοιχεί στη διαφορά στην ποσότητα νερού που περιέχεται στον αέρα στην είσοδο και στην έξοδο του στεγνωτηρίου. Η στιγμιαία τιμή της απώλειας νερού από τον λιγνίτη (μεταξύ δύο ροπώνt1 καιt2) καθορίζονται από τον τύπο:
������������=Δ��������������������������������������������������������������������������������� ����=Δ������������������(�2−�1)
(5)
όπου:
Μεξατμίζω—απώλεια νερού στον άνθρακα, kg.
ΔΧ—αύξηση της απόλυτης υγρασίας του ξηραντικού παράγοντα (αέρας), kg·m−3.
��������������� πυκνότητα του υγρού αέρα, kg·m−3.
���������������-πυκνότητα ξηρού αέρα, kg·m−3.
Vυγρός— η ροή αέρα στην είσοδο του στεγνωτηρίου, m3·h−1.
2.4. Μέθοδος και χρονοδιάγραμμα δοκιμής
Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ξήρανσης στο περίπτερο που παρουσιάζεται στοΕικόνα 1για το ρεύμα θερμού αέρα 130 m3·h−1 σε θερμοκρασίες 35 °C, 50 °C, 60 °C, 70 °C και 80 °C. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές μέχρις ότου η αλλαγή της υγρασίας του αέρα ξήρανσης, μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του στεγνωτηρίου, κρίθηκε ασήμαντη (βλ.Εικόνα 3). Όταν έφτασε σε αυτό το σημείο, ο λιγνίτης είχε επιτύχει ισορροπία με τον εισερχόμενο ξηρό αέρα, επομένως δεν ήταν δυνατή η περαιτέρω ξήρανση. Η επίτευξη αυτής της κατάστασης από το στεγνωτήριο αναφέρεται ως επίτευξη της τελικής περιεκτικότητας σε υγρασία και ο χρόνος για την επίτευξη αυτής της τιμής ονομάζεται χρόνος στεγνώματος. Με την αύξηση της θερμοκρασίας του μέσου ξήρανσης, τυπικά επιτυγχάνεται χαμηλότερη τελική περιεκτικότητα σε υγρασία εντός σχετικά μικρότερων χρόνων στεγνώματος.Εικόνα 3δείχνει τις μετρημένες και καταγεγραμμένες τιμές κατά τη δοκιμή ξήρανσης του πολωνικού λιγνίτη στη θερμοκρασία των 50 °C. Το γράφημα δείχνει μόνο εκείνες τις παραμέτρους που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό της κινητικής ξήρανσης και για τον προσδιορισμό της κατανάλωσης ενέργειας της διαδικασίας ξήρανσης, δηλαδή τη ροή αέρα, τη θερμοκρασία και την υγρασία στην είσοδο και την έξοδο του στεγνωτηρίου).
Εικόνα 3.Ένα παράδειγμα της δοκιμής ξήρανσης για πολωνικό λιγνίτη σε θερμοκρασία 50 °C.
3. Αποτελέσματα
Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ξήρανσης για το ξηραντήριο με τορβοειδή με τη χρήση λιγνίτη από την Πολωνία, την Ελλάδα, τη Ρουμανία και την Αυστραλία. Τα αποτελέσματα της προσέγγισης και της στοιχειακής ανάλυσης παρουσιάζονται στοΠίνακας 1.Εικόνα 4παρουσιάζει τις κατανομές μεγέθους σωματιδίων, οι οποίες είναι μέσες τιμές για όλες τις δοκιμές, που πραγματοποιούνται σε όλο το εύρος θερμοκρασιών.
Εικόνα 4.Κατανομή μεγέθους σωματιδίων λιγνίτη διαφορετικής προέλευσης πριν και μετά την ξήρανση στην εγκατάσταση Torbed.
Εικόνα 5συγκρίνει το διάμεσο μέγεθος σωματιδίων για υγρό και ξηρό λιγνίτη και συγκρίνει τα αποτελέσματα που ελήφθησαν σε αυτή τη μελέτη με τα αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν σε μια άλλη μελέτη σχετικά με την ξήρανση σε ρευστοποιημένη κλίνη. Απεικονίζει αντίστοιχες αλλαγές στο διάμεσο μέγεθος σωματιδίων (d50) για κάθε έναν από τους λιγνίτες λόγω της εκτελεσθείσας ξήρανσης. Απεικονίζει τη διαφορά μεταξύ του πολωνικού λιγνίτη και άλλων λιγνιτών που χρησιμοποιούνται για αυτήν τη μελέτη. Δείχνει επίσης ότι οι αλλαγές στο διάμεσο μέγεθος σωματιδίων διέφεραν μεταξύ των λιγνιτών. Οι αλλαγές στις διαμέτρους d50 διέφεραν μεταξύ διαφορετικών λιγνιτών (Εικόνα 5), με τη σχετική μεταβολή να είναι η υψηλότερη για τον λιγνίτη της Αυστραλίας και η χαμηλότερη για τον λιγνίτη της Ρουμανίας.
Εικόνα 5.Μέσο μέγεθος σωματιδίων (d50) για υγρό και ξηρό λιγνίτη (* αποτελέσματα των Stokie et al. [19] για σύγκριση).
Λαμβάνοντας υπόψη την αρχή λειτουργίας του ξηραντήρα δακτυλιοειδούς κλίνης, φαίνεται εύλογο να αναμένεται ότι η τριβή των σωματιδίων θα μπορούσε επίσης να θεωρηθεί ως ένας από τους παράγοντες που επηρεάζουν την αλλαγή της κατανομής μεγέθους σωματιδίων μετά την ξήρανση. Η απόδειξη της εξασθενημένης, ραγισμένης δομής των σωματιδίων που έχουν στεγνώσει στο δακτυλιοειδές στρώμα, καταδεικνύεται στις εικόνες SEM που φαίνονται στο Σχήμα 8.
Εικόνα 6καιΕικόνα 7δείχνουν παραδείγματα διαφορετικών κατανομών της περιεκτικότητας σε υγρασία μεταξύ σωματιδίων διαφορετικών μεγεθών. Αυτά τα δύο σχήματα δείχνουν ξεκάθαρα ότι τα λεπτά σωματίδια παρασύρθηκαν πρόωρα έξω από το δακτυλιοειδές στρώμα. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα υψηλότερη περιεκτικότητα σε υγρασία στα παρασυρόμενα λεπτά, στην έξοδο του στεγνωτηρίου.Εικόνα 8δείχνει μια διαφορά ως προς την επιφάνεια δύο σωματιδίων λιγνίτη, ένα στεγνωμένο σε κλίβανο σιγαστήρα στους 100 °C και ένα άλλο στεγνωμένο σε σπειροειδή κλίνη στους 50 °C.
Εικόνα 6.Διαφορά μεταξύ της περιεκτικότητας σε υγρασία σωματιδίων διαφορετικών μεγεθών για υγρό και ξηρό λιγνίτη - ένα παράδειγμα ελληνικού λιγνίτη για διάφορες θερμοκρασίες της διαδικασίας ξήρανσης.
Εικόνα 7.Διαφορά μεταξύ της περιεκτικότητας σε υγρασία σωματιδίων διαφορετικών μεγεθών για υγρό και αποξηραμένο λιγνίτη - ένα παράδειγμα αυστραλιανού λιγνίτη για διάφορες θερμοκρασίες της διαδικασίας ξήρανσης. Η κινητική ξήρανσης, για τον λιγνίτη Sieniawa, στην εγκατάσταση με τούρμπες και η συνολική κατανάλωση ενέργειας ανά κιλό αφαιρεθέντος νερού παρουσιάζονται στοΕικόνα 9καιΕικόνα 10, αντίστοιχα.Εικόνα 9δείχνει καμπύλες που αντιπροσωπεύουν την απώλεια υγρασίας για τον λιγνίτη από το ορυχείο Sieniawa. Κάτω από την τελική περιεκτικότητα σε υγρασία 15% συμβαίνει σημαντική μείωση του ρυθμού στεγνώματος για όλες τις θερμοκρασίες του ξηραντικού παράγοντα. Αυτή η τιμή ονομάζεται κρίσιμη περιεκτικότητα σε υγρασία και εξαρτάται κυρίως από τη δομή του λιγνίτη και τη χημεία του. Αυτός είναι ένας χρήσιμος δείκτης που επιτρέπει τον προσδιορισμό της αναλογίας του νερού που συγκρατείται φυσικά στη δομή του λιγνίτη μέσω των τριχοειδών δυνάμεων και της ποσότητας του νερού που δεσμεύεται χημικά, για παράδειγμα από ασθενείς δεσμούς υδρογόνου με λειτουργικές ομάδες ΟΗ. Η ίδια η παράμετρος δεν δίνει ένα αιχμηρό σημείο αποκοπής και εξαρτάται ελαφρώς από τις συνθήκες στεγνώματος.
Εικόνα 8.Εικόνες SEM του αυστραλιανού λιγνίτη που ξηράνθηκε σε εργαστηριακό κλίβανο σιγαστήρα στους 100 °C (ΕΝΑ,ντο,μι) και στεγνωτήριο στους 50 °C (σι,ρε,φά)—μεγεθύνσεις ×300 (ΕΝΑ,σι), ×750 (ντο,ρε) και ×1500 (μι,φά) δείγμα κοσκινισμένο μέσω οθόνης με άνοιγμα 0,4 mm.
Εικόνα 9.Κινητική ξήρανσης στην εγκατάσταση με τοψί για πολωνικό λιγνίτη.
Εικόνα 10.Συνολική κατανάλωση ενέργειας ανά κιλό αφαιρεθέντος νερού κατά την ξήρανση του πολωνικού λιγνίτη στην εγκατάσταση με τούρμπη.
Με παρόμοιο τρόπο παρουσιάζονται οι κινητικές ξήρανσης, για τον ελληνικό λιγνίτη, στην εγκατάσταση τορβών και η συνολική κατανάλωση ενέργειας ανά κιλό νερού που έχει αφαιρεθεί στοΕικόνα 11καιΕικόνα 12, αντίστοιχα. Ο ελληνικός λιγνίτης απαιτούσε πολύ μεγαλύτερους χρόνους παραμονής για να φτάσει στην ίδια περιεκτικότητα σε υγρασία, σε σύγκριση με τον πολωνικό λιγνίτη. Ειδική ενέργεια ξήρανσης, φαίνεται στοΕικόνα 12, ήταν παρόμοια με τα επίπεδα που καταγράφηκαν για τον πολωνικό λιγνίτη. Ωστόσο, μια ραγδαία αύξηση της ειδικής κατανάλωσης ενέργειας ξεκίνησε πολύ νωρίτερα για τον ελληνικό λιγνίτη. Λαμβάνοντας υπόψη την σχεδόν πανομοιότυπη αρχική περιεκτικότητα σε υγρασία του πολωνικού και του ελληνικού λιγνίτη, φαίνεται εύλογο να συμπεράνουμε ότι ο τελευταίος παρουσιάζει υψηλότερη κρίσιμη περιεκτικότητα σε υγρασία - δηλαδή, η ξήρανση του είναι πιο δύσκολη.
Εικόνα 11.Κινητική ξήρανσης στην εγκατάσταση τορβών για ελληνικό λιγνίτη.
Εικόνα 12.Συνολική κατανάλωση ενέργειας ανά κιλό αφαιρεθέντος νερού κατά την ξήρανση του ελληνικού λιγνίτη στην εγκατάσταση με τοψί.
Εικόνα 13καιΕικόνα 14δείχνουν, αντίστοιχα, την κινητική ξήρανσης στην εγκατάσταση με τοψί και τη συνολική κατανάλωση ενέργειας ανά κιλό αφαιρεθέντος νερού, για ρουμανικό λιγνίτη. Όσον αφορά την κινητική ξήρανσής του, ο ρουμανικός λιγνίτης (Εικόνα 13) μπορεί να θεωρηθεί ως ενδιάμεσος τύπος που στεγνώνει πιο γρήγορα σε σύγκριση με τον ελληνικό λιγνίτη και πιο αργά σε σύγκριση με τον πολωνικό λιγνίτη. Το δείγμα του ρουμανικού λιγνίτη παρουσίασε τη χαμηλότερη αρχική περιεκτικότητα σε υγρασία από όλα τα δείγματα που δοκιμάστηκαν. Όσον α
Το μήνυμά σας πρέπει να αποτελείται από 20-3.000 χαρακτήρες!
