Opis instalacji suszarni

Jak już wykazano w rozdziale 1.3 i 5, zbiór słomy w niekorzystnych warunkach atmosferycznych lub brak możliwości przechowywania słomy w miejscu do tego przystosowanym warunkuje konieczność suszenia jej w urządzeniach suszarniczych. Jednym z takich urządzeń jest innowacyjna suszarnia słomy firmy MetalERG, znajdująca się przy szkolnej kotłowni (rys. 18) w miejscowości Wierzchowo-Dworzec w gminie Człuchów. Służy ona do suszenia balotów słomy za pomocą nośnika ciepła odpadowego, jakim są spaliny po procesie spalania w kotle biomasowym opalanym słomą bądź drewnem. Ze względu na charakter paliwa, kotły na słomę pracują efektywnie tylko z mocą nominalną. Oczywiście istnieje możliwość obniżenia mocy głównie poprzez redukcję strumienia powietrza, jednak w praktyce, ze względu na znaczne pogorszenie efektywności pracy, nie stosuje się tych rozwiązań. Dedykowane sterowniki, w które wyposażone są komercyjne jednostki nie pozwalają na taką modulację mocy.

Rys. 18. Kotłownia z dwoma kotłami na słomę o mocy 300 kW i 400 kW.

Z tego powodu spaliny opuszające część wymiennikową kotła osiągają temperatury rzędu 200⁰C do nawet 300⁰C. Entalpia spalin wychodzących z kotła jest wysoka i w bardzo łatwy sposób można ją wykorzystać do innych celów jak np. suszenia biomasy. Jednakże temperatura spalin nie może być zbyt wysoka

64 ze względu na możliwość wystąpienia korozji chlorkowej wysokotemperaturowej. Obecność związków chloru w spalinach związana jest z występowaniem w słomie chloru pochodzącego z substancji mineralnych. Jego średnia zawartość w słomie, w zależności od rodzaju słomy, to 0,02-0,1% masowych w stanie suchym [23, 35, 161]. Zależne jest to głównie od rodzaju rośliny, warunków glebowych oraz atmosferycznych. Dodatkowo, zawartość chloru powiązana jest z zawartością metali alkalicznych jak potasu i sodu, na co zazwyczaj wpływa wysokie nawożenie gleby nawozami sztucznymi [23, 162]. Ponadto, zawartość chloru zależy od tego czy słoma jest żółta (zbierana zaraz po omłocie) czy szara (pozostawiana na polu w celu przepłukania przez deszcz). Słoma szara wykazuje znacznie niższe zawartości chloru, a ze względu na wymywanie związków mineralnych słoma charakteryzuje się niższą zawartością popiołu oraz wyższą wartością opałową [23, 163]. Rysunek 19 przedstawia schemat instalacji wykorzystywanej podczas badań eksperymentalnych. Głównymi elementami suszarni (rysunki 20-24) wykorzystywanej do badań dynamiki suszenia słomy są: komora suszarnicza, stół transportowy, wentylator tłoczący, instalacja przeciwpożarowa, zespół regulacji i kontroli parametrów pracy, układ wstępnego odpylania i separacji iskier oraz układ wyprowadzenia spalin.

Rys. 19. Schemat instalacji wykorzystywanej podczas badań eksperymentalnych.

Ciepło wykorzystywane w trakcie suszenia pochodzi z procesu spalania biomasy w kotle. Tak spożytkowane ciepło odpadowe zwiększa sprawność całego układu oraz pomaga w uzyskaniu znacznie wydajniejszego paliwa. Proces suszenia polega na wtłaczaniu spalin o odpowiednio dobranej temperaturze do wnętrza balotu słomy.

65 Rys. 20. Kocioł biomasowy, cyklon i układ sterowania.

Ze względów bezpieczeństwa spaliny wychodzące z kotła są wstępnie odpylane w cyklonie, ponieważ zdarza się, że wraz ze spalinami wydostają się z kotła duże, czasami żarzące się, źdźbła niedopalonej słomy. Następnie, spaliny tłoczone są przez wentylator (o mocy 1,5 kW i wydatku 0,1-0,2 m3/s) do specjalnie wykonanego mieszacza (rys. 21 i 22), gdzie w razie konieczności następuje proces mieszania spalin z powietrzem atmosferycznym, aż do uzyskania zadanej temperatury czynnika suszącego.

Rys. 21. Układ wyprowadzenia i mieszania spalin.

Po procesie mieszania wentylator wtłacza wstępnie przygotowany czynnik do suszarki, gdzie poprzez dyszę dostaje się do wnętrza cylindrycznego balotu słomy.

66 Rys. 22. Rurociąg i wentylator tłoczący.

Rysunek 23 przedstawia wnętrze suszarki, w której znajduje się dysza wtłaczająca czynnika suszący oraz rury z otworami od systemu przeciwpożarowego. W przypadku nagłego wzrostu temperatury we wnętrzu suszarki następuje zraszanie suszonego balotu. Woda służąca do ugaszenia pożaru tłoczona jest do komory suszarniczej i rozpylana za pomocą systemu otworów znajdujących się na rurach. Wymiary wewnętrzne komory suszarniczej to 2 metry szerokości, 2 metry wysokości oraz 2,20 metra głębokości. Dysza wtłaczająca posiada średnicę 80 cm. Zbudowana jest w formie komory rozprężnej, do której trzema kanałami o średnicy 10 cm wtłaczany jest czynnik suszący. Następnie z komory rozprężnej czynnik suszący wtłaczany jest do wnętrza balotu słomy.

67 Rys. 23. Wnętrze suszarni.

W badanej instalacji wykorzystywane są dwa rozłączne układy sterowania obejmujące kocioł biomasy i suszarnię na słomę. Stanowi to niewątpliwą wadę tej instalacji i stwarza problemy związane z jej efektywnością i skutecznością pracy. Zostało to wykazane w trakcie badań, m.in. poprzez analizę straty dużej ilości ciepła spalin w układzie mieszacza. Te obserwacje stanowiły punkt wyjściowy do zaproponowania i opracowania algorytmu sterowania dla układu docelowego.

68 Kocioł biomasowy obsługiwany jest przez dedykowany sterownik producenta. Algorytm sterowania jest bardzo prosty – w zależności od temperatury spalin ustawiany jest stopień otwarcia przepustnicy zimnego powietrza wlotowego do komory spalania. Ruch powietrza wymuszany jest przez wentylator pracujący ze stałą mocą. Jak pokazują badania na instalacji AGH, znacznie efektywniejszym pod względem energetycznym jest wersja bezprzepustnicowa z regulacją obrotów. Dlatego w wersji docelowej systemu zostanie wskazany ten tryb dostarczania powietrza. Układ sterowania suszarni na słomę to dedykowany układ sterowania opisany poniżej. W obecnej formie nie ma możliwości scalenia systemu w jeden zintegrowany sterownik. Taki układ automatyki obejmujący kocioł biomasowy oraz suszarnię na słomę zostanie zaproponowany w rozdziale obejmującym projekt zintegrowanego systemu.

Rys. 25. Widok skrzynki elektrycznej.

Układ kontrolno-pomiarowy zainstalowany do obsługi instalacji suszarni na słomę oparty jest na regulatorach mikroprocesorowych firmy Compit. Regulatorami tymi są: jeden regulator R315.05 [164] (regulacja temperatury czynnika suszącego) oraz dwa regulatory R350 [165] (kontrola temperatury wewnątrz suszarni na słomę). Całość jednostki, w tym mikroprocesory, wyłączniki prądowe, wyłączniki silnikowe, styczniki oraz transformator znajdują się w szafie elektrycznej (rys. 25) zainstalowanej wewnątrz budynku kotłowni. Mikroprocesorowe regulatory temperatury Compit R350 odpowiedzialne są one za kontrolę temperatury wewnątrz komory suszarniczej pełniąc funkcję ochronną. Po przekroczeniu zadanej wartości temperatury wewnątrz komory

69 suszarniczej następuje odłączenie zasilania wentylatorów służących do wtłaczania czynnika suszącego w głąb balotu słomy. Dodatkowo, załącza się sygnał ostrzegawczy i otwierane są elektrozawory, przez które przepływa woda w celu ugaszenia ewentualnego pożaru słomy znajdującej się wewnątrz suszarni, co jednocześnie skutkuje obniżeniem się temperatury wewnątrz komory suszarniczej. Po osiągnięciu zadanej temperatury następuje odcięcie elektrozaworów.

Rysunki 26-29 przedstawiają schemat połączeń elektrycznych w skrzynce elektrycznej.

70 Rys. 27. Schemat podłączeń przekaźników programowalnych Compit R315.05 i Compit

R350.

71 Rys. 29. Schemat elektryczny podłączeń silnika wentylatora wtłaczającego czynnik suszący.

Rysunek 30 przedstawia schemat decyzyjny automatyki sterujący pracą suszarni na słomę. Mikroprocesor Compit R315.05 odpowiedzialny jest za regulację temperatury czynnika suszącego wtłaczanego do wnętrza suszarni. Temperatura jest regulowana poprzez otwieranie lub zamykanie dwóch przepustnic powietrza, które mają za zadanie doprowadzanie powietrza atmosferycznego do mieszacza w celu osiągnięcia odpowiedniej temperatury czynnika suszącego. W zależności od fazy spalania, spaliny wychodzące z kotła mogą osiągać temperaturę w zakresie 200-350⁰C. Przepustnice powietrza zamontowane są u dołu mieszacza jak widać na rysunkach 31 i 32.

72 Rys. 30. Schemat decyzyjny automatyki suszarni na słomę.

73 Rys. 31. Widok mieszacza i dwóch przepustnic powietrza.

Temperatura otrzymanego czynnika suszącego mierzona jest za pomocą czujnika Pt1000 tuż za wyjściem z mieszacza. Regulacja temperatury czynnika suszącego jest bardzo ważna, gdyż już przy temperaturze 150-200⁰C rozpoczyna się termiczny rozkład biomasy [166] do czego nie można doprowadzić podczas prowadzenia procesu suszenia ze względu na możliwość zapłonu suszonego balotu słomy. Dodatkowo, należy pamiętać, że degradacja temperaturowa w zależności od rodzaju biomasy zaczyna się już od temperatury 100-130⁰C [167].

Rys. 32. Przekrój poprzeczny mieszacza.

Przykładowa zmiana temperatury czynnika suszącego podczas pracy przepustnic powietrza przedstawiona została na rys. 33. Przykład zaprezentowany na rys. 33

74 przedstawia pracę regulatora względem zadanej temperatury czynnika dla 100⁰C. Pierwsza przepustnica otwiera się po przekroczeniu zadanej temperatury o 1K, jeżeli jest to niewystarczające to przy przekroczeniu temperatury 107⁰C następuje otwarcie kolejnej przepustnicy.

Rys. 33. Przykładowa praca regulacji temperatury czynnika suszącego.

Na wykresie bardzo dobrze widać moment otwarcia drugiej przepustnicy, ponieważ następuje wtedy gwałtowny spadek temperatury czynnika suszącego w mieszaczu. Jak można zauważyć regulator Compit R315 reguluje temperaturą czynnika suszącego w granicach -10K i +9K od zadanej temperatury. W tym przypadku system sterowania nie jest precyzyjny i powinien zostać tak zmodyfikowany, aby sterowanie odbywało się z jak najmniejszą odchyłką o wartości zadanej nieprzekraczającą +/- 2K. Będzie to wymagało zastosowania innego typu regulatora (np. PID) lub stworzenie odpowiedniego algorytmu w sterowniku docelowego systemu.