Index of /rozprawy2/11318

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie. WYDZIAŁ ENERGETYKI I PALIW. Praca dyplomowa doktorska Imię i nazwisko:. Wojciech Goryl. Dyscyplina naukowa:. Energetyka. Temat pracy dyplomowej - doktorskiej:. Zintegrowany system wytwarzania ciepła na nieprzetworzoną biomasę. Integrated system of heat generation based on unprocessed biomass. Promotor pracy:. Dr hab. inż. Mariusz Filipowicz, prof. AGH. Promotor pomocniczy:. Dr inż. Robert Kubica. Kraków, rok 2018.

(2) Uprzedzony o odpowiedzialności karnej na podstawie art. 115 ust. 1 i 2 ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych (t.j. Dz.U. z 2006 r. Nr 90, poz. 631 z późn. zm.): „Kto przywłaszcza sobie autorstwo albo wprowadza w błąd co do autorstwa całości lub części cudzego utworu albo artystycznego wykonania, podlega grzywnie, karze ograniczenia wolności albo pozbawienia wolności do lat 3. Tej samej karze podlega, kto rozpowszechnia bez podania nazwiska lub pseudonimu twórcy cudzy utwór w wersji oryginalnej albo w postaci opracowania, artystyczne wykonanie albo publicznie zniekształca taki utwór, artystyczne wykonanie, fonogram, wideogram lub nadanie.”, a także uprzedzony o odpowiedzialności dyscyplinarnej na podstawie art. 211 ust. 1 ustawy z dnia 27 lipca 2005 r. Prawo o szkolnictwie wyższym (t.j. Dz. U. z 2012 r. poz. 572, z późn. zm.) „Za naruszenie przepisów obowiązujących w uczelni oraz za czyny uchybiające godności studenta student ponosi odpowiedzialność dyscyplinarną przed komisją dyscyplinarną albo przed sądem koleżeńskim samorządu studenckiego, zwanym dalej "sądem koleżeńskim"”, oświadczam, że niniejszą pracę dyplomową wykonałem osobiście i samodzielnie i że nie korzystałem ze źródeł innych niż wymienione w pracy.. …………………………………………. 2.

(3) Podziękowania Chciałbym złożyć szczególne podziękowania śp. Profesorowi Adamowi Gule za wiele lat wspólnej pracy i umożliwienie mi rozwoju naukowego. Chciałbym serdecznie podziękować mojemu Promotorowi dr. hab. inż. Mariuszowi Filipowiczowi za poświęcony mi czas, wsparcie i nieocenioną pomoc w tworzeniu niniejszej pracy. Podziękowania dr. inż. Robertowi Kubicy za cenne wskazówki w trakcie pisania pracy. Serdeczne podziękowania Rodzicom. Dzięki Wam znalazłem się w miejscu, w którym w tej chwili jestem. Dziękuję również mojej Żonie za okazałą wyrozumiałość i wsparcie.. Praca realizowana przy wykorzystaniu infrastruktury Centrum Energetyki AGH oraz w ramach Projektów BioEcoMatic oraz BioORC.. 3.

(4) Spis treści 1. Wstęp ...................................................................................... 11 1.1.. Problematyka wykorzystania biomasy i jej znaczenie. dla gospodarki. i ochrony środowiska ................................................................................................ 11 1.2.. Cele badawcze oraz tezy rozprawy doktorskiej .......................................... 15. 1.3.. Wprowadzenie ................................................................................................ 18. 2. Podstawy teorii suszenia ....................................................... 20 2.1.. Termodynamika powietrza wilgotnego ........................................................ 22. 2.2.. Termodynamika materiału wilgotnego ........................................................ 24. 2.2.1. 2.3.. Równowaga suszarnicza ........................................................................... 24. Kinetyka procesu suszenia ............................................................................ 26. 2.3.1.. Krzywe suszenia ....................................................................................... 26. 2.3.2.. Krzywe szybkości suszenia ...................................................................... 27. 2.3.3.. Krzywe temperaturowe ............................................................................. 30. 2.4.. Pomiary wilgotności czynnika suszącego ..................................................... 31. 2.5.. Pomiary wilgotności materiału suszonego ................................................... 33. 2.5.1.. Metody bezpośrednie ................................................................................ 35. 2.5.2.. Metody pośrednie ..................................................................................... 36. 3. Technologie suszenia biomasy ............................................. 43 3.1.. Suszarnie bębnowe ......................................................................................... 43. 3.2.. Suszarnie pneumatyczne ............................................................................... 45. 3.3.. Suszarnie fluidyzacyjne ................................................................................. 46. 3.4.. Suszarnie taśmowe ......................................................................................... 47. 3.5.. Suszarnie mikrofalowe................................................................................... 48. 3.6.. Suszarnie wsadowe ......................................................................................... 48. 3.7.. Wnioski............................................................................................................ 56. 4.

(5) 4. Urządzenia odpylające.......................................................... 57 5. Opis stanowisk badawczych i metod pomiarowych .......... 60 5.1.. Pomiary dynamiki suszenia słomy ................................................................ 63. 5.1.1.. Opis instalacji suszarni ............................................................................. 63. 5.1.2.. Rejestrator danych pomiarowych ............................................................. 74. 5.1.3.. Krzywa kalibracyjna rejestratora wilgotności .......................................... 82. 5.2.. Pomiary emisji pyłu ....................................................................................... 86. 6. Badanie i analiza procesu suszenia słomy .......................... 92 6.1.. Kampania pomiarowa I ................................................................................. 97. 6.1.1.. Podstawowy proces suszenia .................................................................... 97. 6.1.2.. Zmodyfikowany proces suszenia z jednym otworem ............................. 101. 6.2.. Kampania pomiarowa II ............................................................................. 106. 6.2.1.. Podstawowy proces suszenia .................................................................. 106. 6.2.2.. Zmodyfikowany proces suszenia z jednym otworem ............................. 110. 6.2.3.. Zmodyfikowany proces suszenia z trzema otworami ............................. 114. 6.3.. Kampania pomiarowa III ............................................................................ 117. 6.3.1.. Podstawowy proces suszenia .................................................................. 117. 6.3.2.. Zmodyfikowany proces suszenia z jednym otworem ............................. 119. 6.3.3.. Zmodyfikowany proces suszenia z trzema otworami ............................. 123. 6.4.. Wnioski z kampanii pomiarowych ............................................................. 124. 6.5.. Pomiary termowizyjne ................................................................................. 128. 6.6.. Model CFD suszarni na słomę .................................................................... 136. 7. Pomiary na stanowisku kotła na biomasę WEiP AGH ... 147 7.1.. Pomiary pracy kotła biomasowego ............................................................. 147. 7.1.1.. Wyniki pracy kotła biomasowego .......................................................... 147. 7.1.2.. Wnioski ................................................................................................... 156 5.

(6) 7.2.. Badanie emisji pyłu z kotła biomasowego .................................................. 158. 7.2.1.. Sprawność odpylania w funkcji wydatku wentylatora wyciągowego .... 158. 7.2.2.. Metodologia pomiaru .............................................................................. 160. 7.2.3.. Wyniki pomiarów i wnioski ................................................................... 161. 8. Model organizacyjno-ekonomiczny .................................. 164 9. Projekt zintegrowanego systemu grzewczego .................. 170 9.1.. Wady obecnych rozwiązań .......................................................................... 170. 9.2.. Zalecenia do budowy zintegrowanego systemu ......................................... 175. 9.2.1.. Elementy konstrukcyjne ......................................................................... 175. 9.2.2.. System automatyki .................................................................................. 181. 9.3.. Model organizacyjno-ekonomiczno-środowiskowy .................................. 186. 10. Wnioski................................................................................. 193 Literatura .................................................................................. 197 Spis rysunków ........................................................................... 212 Spis tabel .................................................................................... 218 Załącznik 1 ................................................................................ 219 Załącznik 2 ................................................................................ 221. 6.

(7) Streszczenie Rozprawa doktorska Zintegrowany system wytwarzania ciepła na nieprzetworzoną biomasę porusza problematykę związaną ze zwiększeniem efektywności energetycznej systemu wytwarzającego ciepło bazującego na wsadowym kotle na słomę. W ramach rozprawy przeprowadzono szereg badań pod kątem zaprojektowania zintegrowanego systemu wykorzystującego nieprzetworzoną biomasę. Pierwszy rozdział zawiera wstęp do zagadnień poruszanych w rozprawie, jej cele i postawione tezy. Część teoretyczna (rozdziały 2-4) zawiera opis zagadnień związanych z suszarnictwem i odpylaniem spalin, w tym zagadnienia pomiarowe. Rozdział 5 opisuje wykorzystane w pracy stanowiska badawcze i metody pomiarowe. W części badawczej pracy (rozdziały 6-8) przedstawiono przebieg i wyniki badań suszenia słomy w postaci cylindrycznych balotów, analizę pracy kotła biomasowego oraz pomiary emisji pyłu przy spalaniu słomy. Na podstawie analizy potencjału technicznego słomy w gminie Brzeźnica, zaproponowano. stworzenie. systemu. organizacyjno-ekonomicznego. lokalnego. wykorzystania słomy jako paliwa. W efekcie badania pozwoliły na opracowanie założeń budowy prototypowego zintegrowanego systemu (rozdział 9) możliwego do wprowadzenia na szeroką skalę na terenach wiejskich Polski. Rozdział 10 zawiera końcowe wnioski oraz podsumowanie rozprawy.. 7.

(8) Abstract Dissertation Integrated system of heat generation based on unprocessed biomass discuss the issues related to increasing the energy efficiency of heat generating systems based on a batch-fed straw boiler. As part of the dissertation, a number of studies to design the integrated system based on unprocessed biomass were carried out. The first chapter contains an introduction to the discussed issues, define the thesis aim and propose the research hypothesis. The theoretical part (chapters 2-4) describes issues related to biomass drying and dust removal. Chapter 5 describes experimental stands and used research methods. In the research part of the dissertation (chapters 6-8) the following issues are presented: possibility of straw drying in form of cylindrical bales, analysis of biomass boiler operation and measurements of dust emissions during straw combustion. Additionally, based on the analysis of the technical potential of straw in Brzeźnica Commune the organizational and economic system for local straw market is proposed. Finally, the obtained results allowed to develop the assumptions of the prototype integrated system construction (chapter 9) that could be implemented on a large scale in rural areas of Poland. Chapter 10 contains final conclusions and summary of the dissertation.. 8.

(9) Wykaz oznaczeń i – entalpia. kJ/kg. ky – współczynnik wnikania masy. kg/(m2 · s · ΔY). m – masa. kg. M – masa cząsteczkowa. kg/mol. p – prężność cząstkowa. Pa. P – ciśnienie. Pa. t – temperatura. ⁰C. T – temperatura. K. v – prędkość przepływu. m/s. V – objętość. m3. 𝑉̇ – natężenie przepływu. m3/s. w – szybkość suszenia. kg/(m2 · s). X – wilgotność materiału. %. Y – wilgotność bezwzględna. kg/(kg such. pow.). η – sprawność. %. ρ - gęstość. kg/m3. φ – wilgotność względna. %. a, b, c, K, i, n – stałe. 9.

(10) Indeksy: A – para wodna B – powietrze suche całk – pył całkowity db – stan suchy kr – punkt krytyczny m – molowy max – maksymalny odp – odpylania ods – odseparowany r – równowagowy s – stan nasycenia. 10.

(11) 1. Wstęp 1.1.. Problematyka. wykorzystania. biomasy. i. jej. znaczenie. dla gospodarki i ochrony środowiska Począwszy od wielkiego kryzysu energetycznego w latach 70. XX wieku społeczeństwo coraz przychylniej spogląda na alternatywne źródła energii i możliwości ich wykorzystania do wytwarzania energii elektrycznej, produkcji ciepła czy napędzania pojazdów. Przez ostatnie lata widzimy coraz prężniej rozwijającą się gałąź przemysłu jaką są odnawialne źródła energii (OZE). Powstaje coraz więcej firm produkujących elementy farm fotowoltaicznych, wiatrowych, kotłów biomasowych i innych systemów związanych z OZE [1, 2]. Gospodarka Rozwój OZE spowodowany jest głównie przez dwa czynniki. Pierwszym z nich jest niepewność dostaw paliw kopalnych jakimi są w głównej mierze ropa naftowa i gaz ziemny, powiązana z napiętą sytuacją polityczną na linii Rosja – Unia Europejska oraz sytuacją polityczną na bliskim wschodzie. Drugim wspieranie rozwoju odnawialnych źródeł energii przez Unię Europejską poprzez wprowadzanie Dyrektyw mających na celu ograniczanie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery [3-6]. Ważną rolę odgrywają tu szczególnie dokumenty międzynarodowe jak np. Protokół z Kioto [7]. Pod koniec roku 2015, podczas konferencji klimatycznej w Paryżu zawarto porozumienie w sprawie zmian klimatycznych. Podpisało je łącznie 195 państw, które zobligowały się do: (i) długoterminowego celu, jakim jest utrzymanie wzrostu średniej temperatury na świecie - znacznie niższego niż 2⁰C powyżej poziomu sprzed epoki przemysłowej, (ii) dążenia do tego, by ograniczyć wzrost do 1,5⁰C, (iii) jak najszybszego osiągnięcia w skali świata punktu zwrotnego maksymalnego poziomu emisji oraz (iv) doprowadzenia do szybkiej redukcji emisji zanieczyszczeń [8]. Dodatkowym impulsem rozwoju odnawialnych źródeł energii są wszelakiego rodzaju. dopłaty. do. urządzeń. niskoemisyjnych. oraz. wprowadzanie. taryf. gwarantowanych (feed-in-tariff) lub np. zielonych certyfikatów. Polska jako kraj rolniczy oraz posiadający duży obszar zalesienia dysponuje sporymi zasobami biomasy, która może być wykorzystana do wytwarzania energii 11.

(12) elektrycznej lub produkcji ciepła. W wielu raportach i opracowaniach stwierdza się, że w Polsce jednym z najważniejszych źródeł energii odnawialnej jest biomasa. Jej potencjał techniczny zawiera się w przedziale 800-900 PJ rocznie [9]. W oszacowaniu sporządzonym w ramach raportu GHG Reduction Strategy jest to ponad 100 PJ [9], jednakże biomasa posiada najwyższy potencjał w odniesieniu do innych odnawialnych źródeł energii. Dodatkowo, biomasa jest najbardziej przewidywalnym źródłem energii i w przeciwieństwie do źródeł energii słonecznej czy wiatru możliwa do wykorzystania przez okres całego roku. Ponadto, biomasę bardzo. łatwo. magazynować. i. wykorzystywać. w. okresach. zwiększonego. zapotrzebowania oraz transportować w miejsca, gdzie występuje jej deficyt. Należy nadmienić, iż Polska posiada duże zasoby biomasy w postaci słomy pożniwnej.. Ocenia. się,. że. roczna. produkcja. słomy. wynosi. co. najmniej. 20 mln ton [10-12] z czego potencjał techniczny pozyskania słomy na cele energetyczne wynosi ok. 7-10 mln ton [13, 14]. Z roku na rok potencjał ten będzie wzrastać z powodu zmniejszania się pogłowia zwierząt hodowlanych [15], co spowoduje mniejsze zapotrzebowanie na słomę na cele paszowe oraz ściółkowe. Tak duże nadwyżki słomy powodują, że coraz częściej można spotkać się z wykorzystaniem słomy na cele energetyczne [16]. W przypadku słomy koszt wytwarzania ciepła jest najniższy w porównaniu do innych paliw [17], co powoduje wykorzystanie jej w dedykowanych urządzeniach grzewczych [18]. Najwyższe roczne nadwyżki słomy w Polsce występują w województwie wielkopolskim (ponad 1,5 mln ton), lubelskim i kujawsko-pomorskim (pomiędzy 1,0-1,5 mln ton) oraz w dolnośląskim, łódzkim, mazowieckim, pomorskim, warmińsko-mazurskim i zachodnio-pomorskim (pomiędzy 0,5-1,0 mln ton) [19]. Jednym z podstawowych problemów energetycznego wykorzystania biomasy jest jej gęstość usypowa jak również wartość opałowa. W danej objętości biomasy zawarte jest ok. 4-8 razy mniej energii w porównaniu do tej samej objętości węgla. Powoduje to szereg problemów, a głównym jest problem transportowy – koszty związane z transportem biomasy na duże odległości oraz emisje związane z transportem biomasy od miejsca jej pozyskania do miejsca jej utylizacji [20, 21]. Zważając na to, iż źródła biomasy są mocno rozproszone [22], należy ją traktować jako paliwo lokalne i wykorzystywać w niewielkiej odległości od miejsca jej zbiorom. Na terenie Polski są to głównie obszary wiejskie, gdzie biomasa może być podstawowym i jedynym źródłem energii. 12.

(13) Jednym. z. najważniejszych. czynników. wpływających. na. możliwości. wykorzystania biomasy jako nośnika energii jest jej wilgotność. Im większa wilgotność tym mniejsza wartość opałowa. Istnieje pewna dolna i górna granica wilgotności, której nie należy przekraczać, ponieważ niekorzystnie wpływa to na proces spalania oraz na samą konstrukcję kotłów biomasowych. Przykładowo, dla słomy spalanej w kotłach wsadowych, najlepiej, aby jej wilgotność wynosiła ok. 15-20%. Ma to korzystny wpływ na proces spalania z uwagi na katalityczne działanie pary wodnej i dopalenie części lotnych występujących w biomasie [23]. Ponadto, zaobserwowano. występowanie. optimum. wilgotności. w. przedziale. 15-25%,. dla której emisja pyłów do atmosfery podczas spalania biomasy w kotłach biomasowych jest najmniejsza. Powyżej tej wartości emisja pyłu drastycznie wzrasta [24]. Wilgotność biomasy ma ogromny wpływ na jakość paliwa oraz na prowadzenie optymalnego procesu spalania [25]. Technika i otoczenie prawne Nieodzownym elementem wykorzystania paliw stałych w urządzeniach grzewczych są uregulowania prawne skłaniające producentów tych urządzeń do. przestrzegania. rygorystycznych. norm. emisyjnych.. Przyczynia. się. to do wprowadzania coraz to nowszych rozwiązań konstrukcyjnych ograniczających negatywny wpływ na środowisko. Dania jest prekursorem energetycznego wykorzystania słomy. Pierwsze kotły na słomę, produkowane w latach 70. XXw., charakteryzowały się bardzo niekorzystnymi warunkami pracy, niską sprawnością (30-40%) oraz dużą emisją tlenku węgla (powyżej 10 000 ppm w spalinach). Następnie w latach 80-tych XX wieku ulepszono konstrukcję kotłów i osiągnięto sprawność spalania w granicach 75%. W latach 90-tych rząd duński wprowadził dotacje na zakup kotłów na słomę, co spowodowało kolejny rozwój technik spalania tego paliwa. Na początku XXI wieku osiągnięto sprawności spalania na poziomie 87% oraz zawartość CO w spalinach poniżej 1 000 ppm [26]. Obecnie na terenie Polski istnieją producenci kotłów na słomę, którzy mogą pochwalić się znacznie lepszymi konstrukcjami kotłów, co przyczynia się do osiągania najbardziej rygorystycznych norm emisyjnych. Obecnie w głównej mierze zwraca się uwagę na emisję pyłu do atmosfery, który to przyczynia się do tzw. niskiej emisji. W obecnym systemie prawnym 13.

(14) w zakresie standardów emisji z instalacji spalania mamy do czynienia z uregulowaniami na poziomie unijnym i krajowym. Unia Europejska wprowadzając szereg instrumentów prawnych realizuje założenia ogólnego unijnego programu działań w zakresie ochrony i poprawy stanu środowiska do 2020 r. [27]. W prawodawstwie unijnym występują dwa główne rozporządzenia określające górne limity emisji spalin z danego urządzenia grzewczego o mocy znamionowej do 500 kW (tzw. instalacje małej skali): •. kotły grzewcze, które objęto rozporządzeniem Komisji (UE) 2015/1189 [28],. •. ogrzewacze pomieszczeń, piece, kominki, które objęto rozporządzeniem Komisji (UE) 2015/1185 [29]. Obydwa rozporządzenia zawierają wymagania dotyczące minimalnej wartości. sezonowej. sprawności. urządzeń. grzewczych. oraz. dopuszczalnych. wielkości. sezonowych emisji CO, OGC, NOx i pyłu. Rozporządzenia weszły w życie w 2015 r. i będą obowiązywać we wszystkich krajach UE dla kotłów centralnego ogrzewania, a także ogrzewaczy pomieszczeń na paliwa stałe, odpowiednio od roku 2020 i 2022. W prawodawstwie polskim do niedawna nie było żadnych uregulowań prawnych odnośnie spełniania górnych granicznych wartości emisji spalin. W roku 2017 ukazało się krajowe uregulowanie prawne w odniesieniu do standardów emisji dla nowo wprowadzanych do obrotu kotłów na paliwa stałe o mocy do 500 kW [30]. Rozporządzenie to zawiera wymagania granicznych wartości emisji dla kotłów nowo wprowadzanych na rynek na poziomie klasy 5 wg normy PN EN 303-5:2012 [31]. Granicznymi wartościami emisji pyłu dla urządzeń grzewczych na paliwa stałe z ręcznym załadunkiem paliwa to 60 mg/m3, a z automatycznym podawaniem paliwa 40 mg/m3. Natomiast obowiązująca norma [31] i rozporządzenie [30] wyłączają kotły na biomasę niedrzewną (np. na słomę) do spełnienia ww. wartości i dopuszczają emisję pyłu rzędu 200 mg/m3. Należy mieć na uwadze, że obecnie trwają prace nad zaostrzeniem obowiązujących wartości emisji i w niedalekiej przyszłości należy spodziewać się zaostrzenia norm emisyjnych również na kotłów opalanych słomą.. 14.

(15) 1.2.. Cele badawcze oraz tezy rozprawy doktorskiej. Począwszy od roku 2009 Autor zaczął interesować się tematyką energetycznego wykorzystania biomasy. W tym czasie poznał prof. dr hab. Adama Gułę, który zajmował się tą tematyką już od wielu lat. Pod jego opieką autor przygotował dwie prace dyplomowe: inżynierską i magisterską, w których główny nacisk położony był na energetyczne wykorzystanie lokalnej biomasy do celów grzewczych. Wykorzystanie dotyczyło lokalnych zasobów, ponieważ najbardziej optymalne pod względem finansowym oraz ochrony środowiska jest wykorzystywanie biomasy lokalnie – tam, gdzie jest ona wytwarzana, czyli głównie na terenach wiejskich. W tym przypadku ogranicza się transport biomasy na duże odległości, co wiąże się z ograniczeniem emisji związków wpływających na zanieczyszczenie środowiska oraz zmniejszeniem degradacji przez duże samochody ciężarowe lokalnych szlaków komunikacyjnych. Ze względu na to, iż biomasa jest zasobem ograniczonym należy ją wykorzystywać do celów grzewczych. Dedykowane kotły biomasowe wytwarzające ciepło. posiadają. sprawność. rzędu. 90-95%,. gdzie. biomasa. wykorzystywana. w elektrowniach do wytwarzania energii elektrycznej spalana jest ze sprawnością 40-45%. Czyli w przypadku wytwarzania energii elektrycznej tracimy połowę biomasy, która mogła zostać wykorzystana w jednostkach dedykowanych do wytwarzania ciepła. Praca. magisterska. pt.:. „Analiza. ekonomiczno-ekologiczna. lokalnego. wykorzystania biomasy w gospodarstwie rolnym” była wstępem do zajęcia się w trakcie doktoratu tematyką biomasy rolniczej – słomy. Dodatkowo, podczas studiów magisterskich dzięki Profesorowi Gule, autor brał czynny udział w pracach związanych z. realizacją. międzynarodowego. projektu. badawczego. „4Biomass”.. Dotyczył. on energetycznego wykorzystania biomasy w Europie. Projekt ten rozszerzył moją wiedzę w zakresie lokalnego wykorzystania biomasy na cele grzewcze i pozwolił mi poznać najnowsze technologie, możliwości oraz obsługę systemów do spalania biomasy. Wiedza zdobyta podczas studiów, w trakcie trwania projektu „4Biomass”, podczas wieloletniej współpracy z prof. Gułą oraz wyniesiona z wielu spotkań z producentami kotłów biomasowych i użytkowników tych kotłów przyczyniły się do podjęcia próby rozwiązania problemu, który do tej pory nie został rozwiązany, czyli. zaproponowanie. takiego. systemu,. który. będzie. pracował. w. reżimie 15.

(16) (pół)automatycznym z zachowaniem jak najniższych emisji pyłowych. Co ważne – system taki musi się wpisywać organizacyjnie w specyfikę polskich gmin rolnych. Główną barierą w świetle nadchodzących uregulowań unijnych dla szerokiego wprowadzenia kotłów na biomasę jest stosunkowo wysoka emisja pyłów. Dotychczas problem ten nie został rozwiązany w kotłach małej lub średniej mocy, gdzie zastosowanie tradycyjnych metod podrażałoby inwestycję kilkukrotnie.. Celem pracy jest zaprojektowanie i optymalizacja zintegrowanego systemu grzewczego na lokalnie pozyskiwaną słomę, obejmującego spalanie, suszenie i odpylanie spalin, co w krótkiej perspektywie czasu pozwoli na: a) zmniejszenie kosztów ogrzewania gospodarstw i innych obiektów (np. szkoły) na terenach wiejskich poprzez powszechne zastosowanie opracowanego systemu, b) sprostanie normom unijnym w zakresie redukcji emisji gazowych i pyłowych, c) stymulację popytu na opracowany system kotła poprzez zaproponowanie modelu. organizacyjno-ekonomicznego. dla. optymalnego. wykorzystania. zasobów biomasy.. 16.

(17) Teza pracy:. Zważywszy na potencjał produkcyjny i zgromadzone w Polsce doświadczenie eksploatacyjne jest możliwe, i zarazem celowe, opracowanie systemu opartego na kotłach wsadowych spalających pożniwną słomę, zintegrowanego z suszeniem i odpylaniem, który będzie mógł pracować w reżimie (pół)automatycznym i posiadać potencjał szerokiego wdrożenia przy odpowiednim wsparciu.. Powyższą tezę można rozbić na tezy pomocnicze:. 1) Możliwe jest efektywne suszenie biomasy z wykorzystaniem spalin za pomocą dedykowanego urządzenia suszarniczego wchodzącego w skład systemu ciepłowniczego, 2) System biomasowy z cyklonem pozwala na efektywne odpylanie spalin, 3) Możliwe jest takie sterowanie procesem spalania, aby w jak największym stopniu zmniejszyć emisję pyłu do atmosfery, 4) Możliwe. jest. opracowanie. modelu. ekonomiczno-organizacyjnego. dla obszarów wiejskich, którego wdrożenie ma szansę spopularyzować opracowany system wykorzystania paliwa biomasowego.. 17.

(18) 1.3.. Wprowadzenie. Zasadniczym problemem poruszanym w pracy doktorskiej jest zwiększenie efektywności systemu wykorzystującego kocioł wsadowy na słomę poprzez redukcję średniej wilgotności paliwa w celu dla osiągnięcia optymalnego przebiegu spalania paliwa w kotle. Optymalizacja będzie miała charakter wielowariantowy. Polegać ona będzie na określeniu czasu przebywania słomy w suszarniach oraz na opracowaniu dedykowanego sterowania zintegrowanego systemu, aby pracował w reżimie (pół)automatycznym. Z założenia, taki kompleksowy system będzie oparty na jednym dedykowanym sterowniku, który usprawni jego tryb pracy. Dodatkowo, spowoduje to wykorzystanie ciepła odpadowego w możliwie najwyższym stopniu, co znacznie podniesie całkowitą sprawność systemu. Podstawowym problemem energetycznego wykorzystania słomy w postaci balotów jako paliwa jest zawartość wilgoci. Wpływ na nią ma okres zbioru oraz warunki przechowywania. Słoma sucha może osiągać wilgotność. rzędu. 10%,. jednak. zbiór. podczas. niekorzystnych. warunków. atmosferycznych powoduje zbyt mocne zawilgocenie słomy, nawet powyżej 50% [23, 32]. Potwierdzają to również analizy wilgotności słomy wykorzystywanej do suszenia w suszarniach przedstawionych w niniejszej pracy, gdzie wilgotność zawierała się pomiędzy 20-50%.. Rys. 1. Stóg słomy wystawiony na niekorzystne warunki atmosferyczne [33]. 18.

(19) W polskich warunkach klimatycznych sezon grzewczy jest relatywnie długi i trwa najczęściej od października do maja, natomiast zbór słomy odbywa się w okresie letnim na przełomie lipca i sierpnia [34]. Konieczne zatem jest odpowiednie przechowywanie słomy. Zazwyczaj odbywa się to w odsłoniętych stogach słomy (rys. 1), co powoduje jej dodatkowe zawilgocenie i jednocześnie znaczący spadek możliwego do uzyskania ciepła. Dla wilgotności wynoszącej 50% można uzyskać ok. 8 MJ/kg, a dla 15% ok. 13,5 MJ/kg [35], natomiast dla słomy suchej wartość opałowa wynosi ok. 17 MJ/kg [36]. Dlatego należy zadbać o to, aby słoma przetrzymywana była w zadaszonych wiatach lub stogach przykrytych foliami, plandekami, lub specjalnymi materiałami nieprzepuszczającymi wody. Pozwala to na zminimalizowanie wpływu warunków atmosferycznych na pogorszenie się jakości przetrzymywanego paliwa. Dodatkowym problemem jest redukcja emisji pyłowych. Redukcję emisji można osiągnąć w różny sposób. Można instalować dodatkowe urządzenia odpylające takie jak odpylacze mechaniczne czy też elektrostatyczne lub tak ingerować w proces spalania, aby osiągnąć zadowalający poziom emisji pyłowych.. 19.

(20) 2. Podstawy teorii suszenia Celem niniejszego rozdziału jest wprowadzenie czytelników do zagadnień teoretycznych związanych z suszeniem, zdefiniowaniem pojęć wykorzystywanych w dalszej części pracy oraz wprowadzenie do wykorzystywanych metod pomiarowych. Kinetyka procesu suszenia danego materiału rozumiana jest jako zmiana średniej zawartości wilgoci i średniej temperatury materiału w czasie. Wielkości te pozwalają na obliczenie odparowanej wilgoci z materiału, jak również zużytego ciepła w procesie suszenia [37]. Zawartość wilgoci w materiale porowatym oraz jego temperatura zmienia się w zależności od mechanizmu ruchu masy i ciepła wewnątrz materiału oraz wymiany ciepła i masy pomiędzy powierzchnią suszonego materiału a czynnikiem suszącym [38]. Najczęściej wilgotność definiuje się jako stosunek masy cieczy do masy materiału suchego (wilgotność w stanie suchym [39]) lub stosunek masy cieczy do masy materiału wilgotnego (wilgotność w stanie mokrym [39]). W praktyce wyróżnia się wilgotność równowagową (inaczej zwana minimalną wilgotnością higroskopijną) oraz wilgotność krytyczną. Wilgotność równowagowa jest to zawartość wilgoci, która jest w stanie równowagi z parą zawartą w czynniku suszącym. Wilgotność ta jest minimalną teoretyczną wilgotnością do jakiej można wysuszyć materiał w danych warunkach prowadzenia procesu, czyli materiał posiadający wilgotność równowagową nie ma możliwości oddania lub pobrania z otoczenia znajdującej się tam wilgoci. Stąd zdolność materiału do pochłaniania lub oddawania wilgoci jest uzależniona od wilgotności równowagowej [40]. Natomiast wilgotność krytyczna jest to zawartość wilgoci, która wyznacza punkt charakterystyczny oddzielający dwa okresy suszenia (stałej szybkości i malejącej szybkości suszenia) [38]. Istotnym elementem podczas wymiany masy i ciepła w materiale jest charakter wiązania wilgoci z ciałem suszącym. Dlatego kinetyka procesu suszenia określana jest w głównej mierze przez właściwości fizykochemiczne materiału. W ciałach stałych wyróżniamy wilgoć występującą w stanie ciekłym lub stałym. W zależności od sposobu występowania możemy wyróżnić następujące rodzaje wilgoci: powierzchniowe, kapilarne i komórkowe [41]. - powierzchniowa: wilgoć tą stanowi cienka warstwa cieczy znajdująca się na. powierzchni. materiału. suszonego,. a. czynnik. suszący. pozostaje 20.

(21) z nią w kontakcie. Istotnym elementem tego rodzaju wilgoci jest równość ciśnienia cząstkowego pary nad powierzchnią cieczy i prężności pary nasyconej przy danej temperaturze. - kapilarna: wilgoć wypełniająca, znajdująca się wewnątrz kanalików i porów ciała suszonego. Ruch wilgoci w kierunku powierzchni ciała spowodowany jest siłami kapilarnymi w mikroporach (dla promienia mniejszego niż 10-7 m). W tym przypadku ciśnienie cząstkowe pary nad powierzchnią cieczy jest znacznie niższe i wraz z trwaniem procesu suszenia obniża się. Dla ciał o dostatecznie dużych porach wilgoć kapilarna wykazuje cechy wilgoci powierzchniowej. - komórkowa: inaczej pęcznienie, wilgoć wykazująca cechy wiązania z materiałem powodująca wzrost jego objętości i tworząca z nim układ koloidalny. W przeciwieństwie do wilgoci powierzchniowej i wilgoci kapilarnej, które pokrywają powierzchnię materiału (zewnętrzną lub wewnętrzną), wilgoć komórkowa wchodzi w skład struktury materiału. Wyróżnić można różne sposoby wiązania wilgoci z materiałem suszonym. Rozróżnia się wiązania chemiczne, fizyko-chemiczne i fizyko-mechaniczne. Klasyfikuje się je pod względem potrzebnej do wykonania pracy, aby oderwać określoną ilość wilgoci z materiału suszonego: - wiązania chemiczne: wilgoć znajdująca się w materiale określana jest stosunkami stechiometrycznymi. Jest to najtrwalszy typ wiązania, zazwyczaj nie podlegający rozerwaniu w czasie typowego procesu suszenia, - wiązania fizyko-chemiczne: w tym przypadku wyróżnia się dwa typy wiązań adsorpcyjne i osmotyczne. Adsorpcyjne polegają na gromadzeniu się wilgoci na powierzchni lub łączeniu się z jej powierzchnią danego materiału. Wilgoć wiązana siłami osmotycznymi występuje w ciałach koloidalnych, - wiązania fizyko-mechaniczne: wilgoć wiązana jest w nieokreślonych stosunkach, wyróżniamy wiązania strukturalne, kapilarne i zwilżania.. 21.

(22) 2.1.. Termodynamika powietrza wilgotnego. Mieszaninę suchego gazu i pary wodnej zazwyczaj nazywa się gazem wilgotnym. W suszarnictwie najczęściej wykorzystuje się powietrze i spaliny, które zawierają parę wodną. Nazywa się je czynnikami suszącymi. Czynniki te przekazują ciepło do materiału suszonego oraz jednocześnie pochłaniają wilgoć. Przepływ oraz parametry czynnika wykorzystywanego do procesu suszenia powinny być tak dobrane, aby mógł pobrać całą wilgoć odparowaną z powierzchni materiału. Ilość pary wodnej w danej objętości czynnika nie może przekroczyć maksymalnej wielkości zależnej od ciśnienia i temperatury. Im temperatura powietrza jest wyższa oraz jego ciśnienie niższe tym zawartość pary wodnej w powietrzu jest większa. Jeżeli zawartość pary wodnej jest maksymalną możliwą w danych warunkach temperatury i ciśnienia, mówi się, że powietrze jest nasycone. W innych przypadkach jest ono nienasycone [38]. Głównymi parametrami określającymi stan termodynamiczny powietrza są: wilgotność bezwzględna i względna, temperatura punktu rosy, nasycenie procentowe, temperatura suchego i mokrego termometru oraz entalpia. Wilgotność bezwzględną Y można podzielić na masową, objętościową i molową. Masowa nazywana również absolutną oznacza masę pary wodnej zawartej w 1 kg powietrza suchego. Najczęściej jest ona stosowana w obliczeniach urządzeń suszarniczych:. 𝑌=. 𝑚𝐴 𝑚𝐵. [. 𝑘𝑔 𝑝𝑎𝑟𝑦 𝑤𝑜𝑑𝑛𝑒𝑗 ] 𝑘𝑔 𝑠𝑢𝑐ℎ𝑒𝑔𝑜 𝑝𝑜𝑤𝑖𝑒𝑡𝑟𝑧𝑎. (1). Wilgoć odnosi się do powietrza suchego, ponieważ jest ona inertem i nie ulega zmianie w procesie suszenia oraz innych przemianach gazu wilgotnego. Znacznie rzadziej spotykana w literaturze - wilgotność bezwzględna objętościowa ρ, odniesiona jest do objętości powietrza wilgotnego. Inaczej, jest to gęstość pary wodnej zawartej w powietrzu pod jej ciśnieniem cząstkowym pA i w danej temperaturze gazu. Maksymalna zawartość określana jest przez gęstość pary nasyconej suchej w danej temperaturze:. 22.

(23) 𝜌=. 𝑚𝐴 𝑉. [. 𝑘𝑔 𝑝𝑎𝑟𝑦 𝑤𝑜𝑑𝑛𝑒𝑗 ] 𝑚3 𝑤𝑖𝑙𝑔𝑜𝑡𝑛𝑒𝑔𝑜 𝑝𝑜𝑤𝑖𝑒𝑡𝑟𝑧𝑎. (2). Wilgotność bezwzględną molową Ym określa się poprzez wyrażenie masy pary wodnej i powietrza w molach:. 𝑌𝑚 =. 𝑝𝐴 𝑝𝐴 = 𝑝𝐵 𝑃 − 𝑝𝐴. [. 𝑚𝑜𝑙 𝑝𝑎𝑟𝑦 𝑤𝑜𝑑𝑛𝑒𝑗 ] 𝑚𝑜𝑙 𝑠𝑢𝑐ℎ𝑒𝑔𝑜 𝑝𝑜𝑤𝑖𝑒𝑡𝑟𝑧𝑎. (3). przy czym:. 𝑌 = 𝑌𝑚. 𝑀𝐴 𝑀𝐵. [. 𝑘𝑔 𝑝𝑎𝑟𝑦 𝑤𝑜𝑑𝑛𝑒𝑗 ] 𝑘𝑔 𝑠𝑢𝑐ℎ𝑒𝑔𝑜 𝑝𝑜𝑤𝑖𝑒𝑡𝑟𝑧𝑎. (4). Masa pary wodnej zawartej w powietrzu jest największa wówczas, gdy prężność cząstkowa pary pA osiągnie wartość prężności nasycenia pA w danej temperaturze. Zawartość wilgoci w stanie nasycenia: 𝑌𝑠 = 0,622. 𝑝𝐴𝑠 𝑃 − 𝑝𝐴𝑠. (5). Wartość bezwzględna molowa Yms zależy od ciśnienia całkowitego i w stanie nasycenia określa się jako: 𝑌𝑚𝑠 =. 𝑝𝐴𝑠 𝑃 − 𝑝𝐴𝑠. (6). Wilgotność względna powietrza φ wyrażana jest poprzez stosunek prężności pary wodnej w powietrzu do ciśnienia nasycenia odpowiadającego aktualnej temperaturze lub inaczej jako stosunek gęstości pary wodnej w powietrzu do gęstości suchej pary nasyconej w warunkach tej samej temperatury. Wilgotność tą bardzo często wyraża się w procentach. 𝜑=(. 𝑝𝐴. 𝜌𝐴 ) × 100% = ( ) × 100% 𝑝𝐴𝑚𝑎𝑥 𝑇 𝜌𝐴𝑚𝑎𝑥 𝑇. (7). Temperatura punktu rosy jest to temperatura, w której powietrze osiąga stan nasycenia parą wodną podczas chłodzenia w stałym ciśnieniu.. 23.

(24) Nasycenie procentowe nazywane inaczej procentową wilgotnością bezwzględną obliczane jest poprzez wyznaczenie stosunku wilgotności bezwzględnej do wilgotności wyznaczonej dla temperatury suchego termometru. Temperatura suchego termometru jest to temperatura mieszaniny powietrza i pary wodnej zmierzona poprzez zanurzenie w niej termometru, którego czujnik nie był zwilżony. Temperatura wilgotnego termometru definiowana jest jako temperatura osiągana przez małą ilość wody, która odparowuje do dużej objętości powietrza wilgotnego. W odpowiednich warunkach temperaturę wilgotnego termometru wykorzystać można do pomiaru wilgoci w powietrzu. Jeżeli czujnik termometru owiniemy zwilżoną gazą i umieścimy go w strumieniu szybo poruszającego się wilgotnego gazu, to po pewnym czasie termometr ten pokazywać będzie niższą wartość temperatury niż termometr suchy umieszczony w tym samym strumieniu gazu. Entalpia powietrza wilgotnego i odnoszona jest do jednostki masy powietrza suchego i określana jest jako suma entalpii suchego powietrza iB i entalpii wilgoci Y∙iA.. 𝑖 = 𝑖𝐵 + 𝑌 ∙ 𝑖𝐴. 2.2.. [. 𝑘𝐽 ] 𝑘𝑔. (8). Termodynamika materiału wilgotnego. 2.2.1. Równowaga suszarnicza Ciało stałe umieszczone w otoczeniu czynnika dostatecznie suchego uwalnia wilgoć, dopóki prężność pary nad powierzchnią materiału jest większa od prężności pary wodnej znajdującej się w czynniku suszącym. Proces ten nazywany jest desorpcją wilgoci. Po zrównaniu się prężności równowagowej pary wodnej nad materiałem suszonym oraz prężności pary wodnej w czynniku suszącym następuje stan równowagi pomiędzy materiałem i czynnikiem suszącym. Jeżeli prężność pary wodnej w czynniku suszącym jest wyższa niż nad powierzchnią materiału wilgotnego następuje nawilżanie (pochłanianie pary wodnej) materiału, aż do osiągnięcia stanu równowagi. Proces ten nazywamy adsorpcją wilgoci.. 24.

(25) Rys. 2. Krzywe sorpcji niektórych ciał stałych w temp. 25⁰C, źródło: opracowanie własne na podstawie [38]. Zależność pomiędzy równowagową zawartością wilgoci w materiale wilgotnym a wilgotnością powietrza w tej samej temperaturze wyznaczają nam krzywe określane jako izotermy sorpcji. Rysunek 2 przedstawia przykładowe krzywe równowagowe materiałów stałych.. Rys. 3. Krzywe równowagi: 1 – adsorpcja, 2 – desorpcja, źródło: opracowanie własne na podstawie [38].. 25.

(26) Wyróżnia się dwa typy izoterm sorpcji: adsorpcję – przy wzrastającej wilgotności materiału oraz desorpcję – przy malejącej wilgotności materiału (rys. 3). Przebieg krzywej równowagowej jest inny dla adsorpcji (nawilżania materiału) i dla desorpcji (suszenia). Obie krzywe mają te same wartości wilgotności materiału tylko dla względnej wilgotności powietrza wynoszącej 0 i 100%. Zjawisko to nosi nazwę histerezy suszarniczej. Krzywa desorpcji wykazuje zawsze wyższe wartości wilgotności materiału niż krzywa adsorpcji. Dla izotermy sorpcji wyróżnia się zazwyczaj dwie różne części: jedna dla wilgotności względnych powietrza do 40-60% oraz druga powyżej 40-60%. W zakresie niższych wartości wilgotności najczęściej występuje czysta adsorpcja jedno lub wielowarstwowa. Drugi zakres to najczęściej skraplanie kapilarne. W procesach suszarniczych bardzo ważne jest poznanie równowagowych krzywych sorpcji danego materiału, ponieważ w łatwy sposób określają one w jakich warunkach można przechowywać dany materiał, aby nie następowało absorbowanie wilgoci z otoczenia.. 2.3.. Kinetyka procesu suszenia. Kinetykę procesu suszenia najczęściej śledzi się rozpatrując następujące krzywe: 1) Wilgotność materiału w zależności od czasu suszenia, tzw. krzywe suszenia, 2) Szybkość suszenia w zależności od wilgotności materiału, tzw. krzywe szybkości suszenia, 3) Temperatura materiału w zależności od wilgotności materiału, tzw. krzywe temperaturowe. 2.3.1. Krzywe suszenia Wykres przedstawiony na rys. 4 ilustruje krzywą suszenia dla warunków ustalonych. Opisana jest ona jako wilgotność materiału X w funkcji czasu suszenia τ. Pierwszy fragment krzywej, początkowe podgrzewanie materiału, przedstawione jest jako odcinek AB. Następnie, kolejny fragment reprezentowany przez odcinek BC jest to liniowy spadek zawartości wilgoci i określany jest jako pierwszy okres suszenia, który trwa aż do osiągnięcia pierwszego punktu krytycznego oznaczonego literą C.. 26.

(27) Następnie, krzywa suszenia przechodzi w krzywą, która asymptotycznie zbliża się do równowagowej zawartości wilgoci w materiale Xr.. Rys. 4. Krzywa suszenia dla warunków ustalonych, źródło: opracowanie własne na podstawie [38]. Pierwszy okres suszenia (liniowy charakter ubytku wilgoci - BC) nazywany jest okresem stałej szybkości suszenia. Drugi okres suszenia występuje po osiągnięciu punktu krytycznego C i charakteryzuje się stale zmniejszającą się szybkością suszenia. Wykres na rys. 4. pozwala na określenie czasu potrzebnego do uzyskania odpowiedniej zawartości wilgoci w tych samych warunkach. 2.3.2. Krzywe szybkości suszenia Krzywa szybkości suszenia została przedstawiona na rys. 5. Zaobserwować można dwa charakterystyczne okresy suszenia, podobnie jak na krzywej suszenia, rys. 4. Okresy te nazywa się: okresem stałej szybkości suszenia oraz okresem malejącej szybkości suszenia. Przed rozpoczęciem procesu powierzchnia materiału wilgotnego pokryta jest warstewką cieczy, która nazywana jest wilgocią niezwiązaną. W czasie kontaktu materiału z czynnikiem suszącym o małej zawartości wilgoci następuje proces odparowywania wilgoci, którego szybkość wkr wyrażona jest równaniem: 𝑤𝑘𝑟 = 𝑘𝑦 (𝑌𝑠 − 𝑌). (9). 27.

(28) Współczynnik wnikania masy ky od suszonej powierzchni do czynnika suszącego przy stałej prędkości i kierunku przepływu pozostaje stały. Odparowanie cieczy wymaga dostarczenia ciepła równego ciepłu parowania wody, tak więc powierzchnia cieczy na materiale wilgotnym osiągnie temperaturę równowagową, w której ilość ciepła przekazanego jej przez czynnik suszący będzie równy ciepłu przemiany fazowej, czyli ciepłu parowania. Wilgotność powietrza tuż nad warstewką cieczy na powierzchni materiału Ys nie będzie się zmieniała (odpowiada ona wilgotności nasycenia w temperaturze warstewki cieczy na powierzchni materiału). Ponadto, w wyniku zachowania stałych warunków procesu wilgotność gazu Y utrzymywana jest na stałym poziomie. W związku z tym szybkość suszenia nie zmienia swej wartości (pierwszy okres suszenia). W początkowym okresie suszenia (okres wstępny), temperatura ciała suszonego oraz temperatura powierzchni pokrytej warstewką cieczy jest niższa niż temperatura równowagowa, z tego powodu w tym okresie (pomiędzy punktami A i B, rys. 5) szybkość. suszenia. rośnie.. Będzie. ona. rosła. aż. do. osiągnięcia. wartości. charakterystycznej dla punktu B. Druga krzywa reprezentowana przez odcinek A’B, rzadziej spotykana w procesach suszarniczych, ukazuje krzywą szybkości suszenia dla materiału, który ma wyższą temperaturę niż temperatura równowagowa. Okres wstępny dla takiego procesu suszenia przedstawiony jest linią przerywaną na rys. 5 i 6, jest zazwyczaj bardzo krótki i nie uwzględnia się go w obliczeniach suszarniczych.. Rys. 5. Krzywa szybkości suszenia, źródło: opracowanie własne na podstawie [38].. 28.

(29) Drugi okres suszenia (reprezentowany przez odcinek CD) rozpoczyna się, gdy wilgotność materiału spadnie poniżej wartości określanej jako krytyczna wartość wilgoci, wtedy ilość wilgoci, która odprowadzana jest na zewnątrz materiału suszonego zaczyna stopniowo maleć. W tym okresie szybkość suszenia bardzo mocno zależy od różnicy stężeń wilgoci pomiędzy wewnętrznymi warstwami ciała suszonego a jego powierzchnią. Proces suszenia ustaje, gdy materiał osiągnie wilgotność równowagową oznaczoną przez punkt D. Przedstawiony proces suszenia nie sprawdza się dla każdego przypadku. Zależy on silnie od wewnętrznej struktury materiału. Głównym podziałem materiałów jest podział na materiały higroskopijne i niehigroskopijne. Krzywe szybkości suszenia dla tych ciał przedstawione zostały na rys. 6. Pierwszy okres suszenia wygląda podobnie jak w przypadku przedstawionym na rys. 5, a następnie występuje okres przejściowy reprezentowany przez odcinek CD lub tzw. okres suszenia nienasyconego. W rozpatrywanym przedziale spadek wilgotności materiału jest pozorny, ponieważ nie wiąże się ze zmniejszeniem się szybkości odparowania wilgoci, lecz z pojawieniem się obszarów suchych na powierzchni materiału (zmniejszenie powierzchni czynnej). Dalszy przebieg krzywej suszenia zależy od rodzaju materiału.. Rys. 6. Krzywa szybkości suszenia dla różnych materiałów, źródło: opracowanie własne na podstawie [38]. Dla materiałów niehigroskopijnych wilgoć podczas procesu suszenia tworzy powierzchnię parowania, która cofa się w głąb materiału, a ruch wilgoci odbywa się w postaci pary. Materiały takie można wysuszyć całkowicie, wilgotność X=0. Materiały 29.

(30) higroskopijne nie posiadają wyraźnego zwierciadła parowania, w materiałach tych występują obszary o różnych wilgotnościach i mogą one zostać wysuszone jedynie do wilgotności równowagowej Xr. Szybkość suszenia w tym miejscu wynosi zero. 2.3.3. Krzywe temperaturowe Krzywe szybkości suszenia, opisane w rozdziale numer 2.3.2, przedstawiają jedynie jakościowy obraz procesu suszenia. Rozpatrując drugi etap procesu suszenia dokładniejsze wyniki otrzymuje się rozpatrując tzw. krzywe temperaturowe. Rysunek 7 przedstawia dwie krzywe opisujące zmianę temperatury powierzchni oraz wnętrza materiału, który wykazuje własności kurczenia się w pierwszym okresie procesu suszenia. Początkowo temperatura powierzchni materiału szybko rośnie do momentu osiągnięcia wartości stałej – temperatury wilgotnego termometru. Temperatura ta pozostaje stała aż do osiągnięcia punktu krytycznego Xkr. Następnie temperatura powierzchni materiału gwałtownie wzrasta, aż osiągnie temperaturę otoczenia tf, dla której osiągana jest równowagowa wilgotność materiału Xr.. Rys. 7. Krzywe temperaturowe: 1 – temperatura powierzchni materiału, 2 – temperatura wnętrza materiału, to – temperatura początkowa, tf – temperatura otoczenia, źródło: opracowanie własne na podstawie [38]. Temperatura. wnętrza. materiału. rośnie. zdecydowanie. wolniej. niż jego powierzchnia oraz osiąga temperaturę wilgotnego termometru znacznie później. Pierwszy okres suszenia charakteryzuje się identyczną krzywą temperaturową. 30.

(31) (co do przebiegu i wartości) jak w przypadku rozpatrywania powierzchni tego materiału. Wyznaczenie krzywych temperaturowych jest istotnym elementem w procesach suszarniczych, ponieważ jakość wysuszonego materiału zależy od temperatury w jakiej prowadzony jest proces oraz od jego czasu. W ciałach pochodzenia organicznego wilgoć stanowi integralną część struktury ciała lub jest uwięziona w jego drobnych porach. Pierwszy okres suszenia dla tego typu materiałów jest bardzo krótki i kończy się dla relatywnie wysokich wartości wilgotności krytycznej. Drugi okres suszenia jest również stosunkowo krótki. Tak szybki proces suszenia materiałów organicznych zazwyczaj wpływa na zmianę ich właściwości – kurczenie lub pękanie materiału. Istotnym jest dobór odpowiednich warunków prowadzenia procesu suszenia, aby jakość produktu nie zmieniła się w trakcie procesu suszenia.. 2.4.. Pomiary wilgotności czynnika suszącego. Czynnik suszący zazwyczaj rozumie się jako mieszaninę suchego gazu oraz pary wodnej. Gazem tym, najczęściej, jest powietrze lub spaliny. Początkowo czynnik suszący stanowi mieszaninę suchego gazu z parą wodną, czyli mamy do czynienia z tzw. gazem wilgotnym. Wraz z trwaniem procesu suszenia, w wyniku przepływu czynnika suszącego przez złoże materiału wilgotnego, wilgotność gazu rośnie. Ważnym elementem podczas badania procesu suszenia jest pomiar wilgotności czynnika suszącego. Metodą bezwzględną pomiaru wilgotności czynnika suszącego jest metoda grawimetryczna. Polega ona na wyznaczeniu przyrostu masy absorberów użytych podczas pomiarów [42]. Absorberami zazwyczaj są [38]: P2O5, CaCl2, H2SO4, żel krzemowy itp. Dodatkowo, wilgotność gazu może zostać zmierzona poprzez wymrażanie pary wodnej lub określenie jej prężności cząstkowej. Wyznaczenie wilgotności za pomocą higrometru grawimetrycznego jest bardzo dokładne, jednakże dość skomplikowane i kłopotliwe w zastosowaniach praktycznych. Dodatkowym, problemem jest to, iż metoda ta nie pozwala na określenie chwilowej wilgotności czynnika suszącego. Metoda ta służy głównie jako metoda referencyjna, do cechowania innych przyrządów pomiarowych [43]. 31.

(32) Metoda psychrometryczna polega na wykorzystaniu klasycznego przyrządu do pomiaru wilgotności powietrza jakim jest psychrometr. Składa się on z dwóch jednakowych termometrów (termometru suchego i termometru wilgotnego), przy czym jeden z nich jest zwilżany za pomocą wilgotnej gazy [44, 45]. Zasada działania opiera się na wykorzystaniu efektu psychrometrycznego polegającego na obniżeniu temperatury czujnika wilgotnego termometru w wyniku adiabatycznego odparowania wilgoci. Różnica temperatur pomiędzy wskazaniem termometru suchego i mokrego to tzw. różnica psychrometryczna, która jest miarą zawartości pary wodnej w czynniku suszącym. Błąd pomiaru jest tym mniejszy im wyższa jest prędkość przepływu gazu wokół czujników temperatur [43]. Unikamy wtedy problemów związanych z: 1) przepływem ciepła od powietrza otaczającego warstwę przyścienną do czujnika termometru, 2) promieniowaniem od przedmiotów otaczających, 3) przekazywaniem ciepła przez czujnik termometru nie pokryty materiałem zwilżanym [44]. Przy pomiarze metodą psychrometryczną należy pamiętać, aby czujnik suchego termometru był rzeczywiście suchy, a czujnik termometru mokrego był zwilżany za pomocą wody destylowanej, aby zapobiec zmianie stężenia roztworu w miarę odparowania wody, z czym mamy do czynienia w przypadku użycia wody surowej, w której zawsze rozpuszczone są sole. Najczęściej spotykanym psychrometrem jest psychrometr Assmanna [45], który ze względu na prostą budowę, wygodę w użyciu i dość dokładne wyniki. jest. powszechnie. stosowany. do. pomiarów. wilgotności. powietrza. oraz do kalibracji innych psychrometrów i higrometrów. Higrometry służące do pomiaru wilgotności metodą punktu rosy oparte są na pomiarze tzw. temperatury punktu rosy, w której powietrze lub inna mieszanina osiąga stan nasycenia i rozpoczyna się proces zmętnienia na powierzchni zwierciadła [44, 45]. Zmętnienie to świadczy o zapoczątkowaniu kondensacji pary znajdującej się w gazie. Dla określenia momentu osiągnięcia stanu nasycenia gazu zazwyczaj oziębia się metalowe zwierciadło i mierzy się jego temperaturę. Moment pojawienia się skondensowanej pary na powierzchni zwierciadła odpowiada temperaturze punktu rosy. Chłodzenie zwierciadła może odbywać się różnymi metodami, np. przez wykorzystanie ciepła. parowania. cieczy. niskowrzących. lub. adiabatyczne. rozprężanie. gazu. czy np. za pomocą ogniwa Peltiera. Moment powstawania kropelek na zwierciadle można obserwować poprzez: bezpośrednią obserwację wzrokową, obserwację za pomocą elementów fotoelektrycznych, pomiar przewodnictwa elektrycznego 32.

(33) powierzchni zwierciadła z osadzającą się rosą [43]. Głównymi zaletami pomiaru wilgotności metodą punktu rosy to: pomiar wilgotności w szerokim zakresie temperatur gazu, również poniżej 0oC i niezależność wyników pomiarowych od ciśnienia gazu. W poniższej pracy metoda ta wykorzysta została do pomiaru wilgotności czynnika suszącego wtłaczanego przez dyszę w głąb balotu. W tym przypadku punkt rosy znajdowany był poprzez pomiar pojemności kondensatora umieszczonego na ogniwie Peltiera. Metody higroskopowe polegają na wykorzystaniu pewnych własności ciał zależnych. od. zmian. wilgotności. powietrza.. Najbardziej. rozpowszechnionym. przyrządem jest higrometr włosowy, najczęściej służący do pomiaru wilgotności względnej w pomieszczeniach [43]. Wykorzystano w nim zjawisko zmiany długości ludzkiego lub zwierzęcego włosa albo włókna syntetycznego [45]. Higrometry te posiadają małą dokładnością i powinny być okresowo sprawdzane i cechowane [38]. Metody elektryczne stosowane są m.in. w higrometrach pojemnościowych, oporowych czy w higrometrach z ogrzewanym czujnikiem [44]. Higrometr pojemnościowy działa. na. zasadzie. pomiaru. pojemności. porowatej. warstwy. higroskopijnej [46]. Wykorzystywanym czujnikiem jest kondensator o elektrodzie złotej i aluminiowej. Higrometry oporowe działają na zasadzie pomiaru zmian przewodnictwa elektrycznego warstwy higroskopijnej ze zmianą wilgotności otoczenia. Wyróżnia się dwie grupy higrometrów z czujnikami, w których: 1) na warstwie higroskopijnej następuje adsorpcja fizyczna wody, 2) następuje absorpcja wody w roztworze elektrolitu pełniącym rolę warstwy higroskopijnej.. 2.5.. Pomiary wilgotności materiału suszonego. Jak zostało wcześniej wspomniane (rozdz. 1.3), bardzo ważnym parametrem charakteryzującym jakość biomasy, w tym słomy, jest jej wilgotność, zarówno w przypadku osiągnięcia odpowiedniej wartości opałowej, ale również pod kątem jej stabilności w czasie. Opracowania [47-49] podkreślają, że jakość słomy pogorsza się, gdy wilgotność przekroczy 25%, którą należy traktować jako wartość maksymalną [50], powyżej której zachodzą procesy gnilne. Już powyżej 18% wilgotności następuje namnażanie się grzybów występujących na słomie jako zarodniki i może następować zbutwienie materiału [51] ze względu na rozwój pleśni. Najlepiej, aby wilgotność słomy 33.

(34) nie była wyższa niż 15% [52, 53]. Jednakże, w krótkim okresie wartość ta może zostać przekroczona bez wpływu na jakość materiału [54]. Dodatkowo, dla długiego czasu przechowywania biomasy wilgotność nie powinna przekroczyć 18% [55, 56]. Wpływ na wilgotność przechowywanej biomasy ma szeroki zakres zmian wilgotności i temperatury otoczenia począwszy od zbioru do czasu jej wykorzystania. Ustalenie zależności pomiędzy wilgotnością względną i temperaturą ma ogromne znaczenie dla procesów przechowywania i suszenia w celu zachowania jak najwyższych parametrów biomasy [57]. Biomasa może bardzo łatwo absorbować i desorbować wilgoć z powodu jej właściwości higroskopijnych. Biomasa posiada zdolność do utrzymywania stałej wilgotności względnej w jej wnętrzu bez względu na zmianę wilgotności względnej powietrza spowodowanej zmianami temperatury i wymiany powietrza z otoczeniem [58]. Jak wykazano w [51, 59] wilgotność słomy rośnie wraz z wzrostem wilgotności względnej powietrza, ale nie jest ona bezpośrednio zależna od zmian temperatury. Dodatkowo, według [60] obniżenie ciśnienia pary nasycenia poprzez obniżenie temperatury umożliwia kondensację cząsteczek pary wodnej w kapilarach o większych średnicach niż w wyższej temperaturze. W związku z tym wzrasta zakres rozmiarów kapilar dostępnych dla kondensacji kapilarnej. Skutkiem tego izotermy sorpcji materiałów porowatych (np. słomy) są niemal niezależne od temperatury [59, 61, 62]. Ważnym aspektem w procesach suszarniczych jest jak najdokładniejsze oznaczanie wilgotności materiału suszonego. Wymagane jest, aby stosowane metody i przyrządy pomiarowe cechowały się dokładnością, szybkością i niezawodnością, prostą i łatwą obsługą. Występuje wiele metod pomiaru wilgotności materiału suszonego, które można podzielić na dwie główne grupy: metody bezpośrednie i metody pośrednie. Metody bezpośrednie polegają na usuwaniu wilgoci z materiału różnymi sposobami a następnie ilość usuniętej wilgoci jest oznaczana wagowo, objętościowo lub innymi metodami bezpośrednimi. Metody pośrednie polegają na mierzeniu pewnych parametrów materiału wilgotnego, które są zależne od zawartości wody lub od obecności atomów wodoru występujących w cząsteczce wody. Przyrządy stosowane w metodach pośrednich powinny być wcześniej dokładnie skalowane. przy. wykorzystaniu. co. najmniej. jednej. metody. bezpośredniej. (np. grawimetrycznej).. 34.

(35) 2.5.1. Metody bezpośrednie Wyróżnia się tu następujące metody: •. Metoda nagrzewania materiału. Próbkę materiału o znanej masie umieszcza się w suszarce laboratoryjnej. W pewnych odstępach czasu wykonuje się ważenie próbki na wadze analitycznej [63]. Ogrzewanie próbki w stałej temperaturze wykonuje się aż do momentu braku zmiany masy przez próbkę [64]. Dodatkowo, suszarnie mogą być wyposażone w wagi (wago-suszarki) dla szybkiego i łatwego wyznaczania ubytku masy próbki. Metodę tę można stosować dla materiałów wcześniej. sproszkowanych,. odpornych. na. podwyższoną. temperaturę. i nie zawierających znacznej ilości składników łatwo lotnych, natomiast nie jest ona zalecana dla materiałów higroskopijnych. •. Metoda nagrzewania materiału pod próżnią. Metodę tę stosuje się dla materiałów o niskiej odporności termicznej, ulegających rozpadowi i nieodwracalnym zmianom struktury lub silnie higroskopijnym [41, 65]. Metoda ta pozwala na szybkie wysuszenie próbki w stosunkowo niskiej temperaturze [38].. •. Metoda termograwimetryczna. Metoda ta jest w pół lub w pełni automatyczna. Wykorzystuje ona wagę z ogrzewaniem (termowagę), która mierzy i rejestruje zmianę masy substancji w funkcji czasu i temperatury [41].. •. Metoda chemicznego wysuszania. Metoda ta wykorzystuje środki pochłaniające wilgoć jak np.: pięciotlenek fosforu, tlenek baru, nadchloran magnezu lub bezwodny chlorek wapnia. Badaną próbkę umieszcza się w komorze zawierającej odpowiedni pochłaniacz wilgoci. Metoda ta wymaga długiego okresu suszenia i stosuje się dla substancji zawierających łatwo utleniające się składniki [63].. •. Metoda chemiczna. [38]. Najbardziej rozpowszechnioną metodą suszenia. chemicznego jest metoda miareczkowana opracowana przez Fischera. Oparta jest ona na reakcji jodu w obecności wody [65]: 𝑆𝑂2 + 𝐼2 + 2𝐻2 𝑂 ⇄ 𝐻2 𝑆𝑂4 + 2𝐻𝐼 Odczynniki stosowane do miareczkowania to dwutlenek siarki, pirydyna i jod w roztworze metanolu. Reakcja ta zachodzi do momentu zużycia całkowitej ilości 35.

(36) wody z materiału wilgotnego, a ubytek jodu jest miarą wilgotności badanej próbki [41]. Inną metodą jest reakcja z węglikiem wapnia. Wytworzony w reakcji acetylen może być oznaczony przez ubytek masy mieszaniny reagującej. Ponadto, niektóre sole nieorganiczne zmieniają zabarwienie w obecności wody i wówczas intensywność zabarwienia wykorzystuje się jako wskaźnik zawartości wody. •. Metoda chromatografii gazowej [38]. Metoda polega na wyekstrahowaniu wilgoci z materiału do rozpuszczalnika i następnie na jego analizie przy wykorzystaniu chromatografii gazowej. Wielkość piku dla wody na chromatogramie jest miarą zawartości wilgoci [63].. •. Metoda refraktometryczna. Próbka analizowanej substancji jest homogenizowana z bezwodnym rozpuszczalnikiem. Następnie w warunkach stałej temperatury oznaczany jest. współczynnik. załamania. światła. roztworu,. który zależy. od zawartości wilgoci [66, 67]. Najłatwiejszą i jedną z najbardziej dokładnych metod jest metoda nagrzewania materiału oraz metoda termograwimetryczna, która automatycznie wykonuje pomiar wilgotności materiału. Głównym problemem w badaniach wilgotności metodami bezpośrednimi jest odpowiednie przygotowanie próbki biomasy. Ze względu na włóknistą budowę biomasy często stwarza to spore problemy. 2.5.2. Metody pośrednie •. Metoda przewodnictwa elektrycznego. Opór elektryczny materiału wykazuje najszerszy zakres zmian w zależności od zawartości wilgoci. Pomiar polega na umieszczeniu analizowanego materiału między elektrodami połączonymi z omomierzem [68]. Pomiar jest natychmiastowy i nie wymaga niszczenia materiału, ale niestety jest mało dokładny. Mierzona oporność zależy od wielu czynników, nie zawsze możliwych do identycznego powtarzania i utrzymania jako stałych. Głównymi czynnikami wpływającymi na jakość pomiaru są: gęstość, rodzaj czy niejednorodność materiału lub jego zanieczyszczenie [69].. •. Metoda pojemnościowa. Stała dielektryczna (względna przenikalność elektryczna) wody ma największą wartość spośród materiałów spotykanych w technice suszarniczej [65]. Duża różnica między wartością stałej dielektrycznej dla wody i ciał bezwodnych pozwala na przyjęcie tego parametru do wyznaczania zawartości 36.

(37) wilgoci w materiale [45]. Pomiar wilgotności wykonuje się poprzez pomiar pojemność kondensatora, pomiędzy okładkami którego umieszcza się badaną substancję [68]. •. Metoda pochłaniania energii promieniowania w zakresie mikrofal. W tej metodzie wykorzystuje się zjawisko pochłaniania mikrofal przez wodę znajdującą się w badanym materiale [45]. Dipole cząstek wody absorbują energię mikrofal kilka tysięcy razy silniej niż substancja sucha. Gdy badany materiał poddamy napromieniowaniu wiązką mikrofal, wówczas mierząc stopień zmniejszenia energii tej wiązki po przejściu przez badany materiał można określić zawartość wilgoci w materiale [65, 70].. •. Metoda pochłaniania energii fal dźwiękowych i ultradźwiękowych. W metodzie tej wykorzystuje się zjawisko absorpcji energii promieniowania w zakresie fal dźwiękowych i ultradźwiękowych, a stopień absorpcji zależny jest od zawartości wody w materiale [71-73]. Analizowaną próbkę umieszcza się pomiędzy generatorem. energii. promieniowania. a. mikrofonem,. który. współpracuje. z odpowiednio wyskalowanym woltomierzem. •. Metody wykorzystujące energię promieniowania w zakresie podczerwieni. Rozróżnia się dwie metody: metodę spektroskopii i metodę absorpcji energii promieniowania w zakresie podczerwieni [65, 74, 75]. W pierwszej metodzie zawartość wody określa wielkość charakterystycznego pasma na uzyskanym podczas badania próbki widmie w podczerwieni. W metodzie drugiej dokonuje się pomiaru energii promieniowania odbitego lub przepuszczonego przez próbkę analizowanego materiału. Miarą zawartości wilgoci jest logarytm stosunku energii zmierzonej do energii odniesienia przy danej długości fali [76].. •. Metoda magnetycznego rezonansu jądrowego. Wykorzystuje ona zjawisko pochłaniania energii pola elektromagnetycznego o częstotliwości fal radiowych, przez jądra atomu wodoru zawarte w cząsteczce wody [45, 76]. Istnieje liniowa zależność między zawartością wilgoci a energią odczytaną w miliwoltach. Metoda ta pozwala na pomiar wilgotności różnych materiałów w zakresie 2-100% z bardzo dużą dokładnością. Główną zaletą tej metody jest niezależność wyników pomiarów od np. granulacji, gęstości nasypowej i chemicznego składu materiału.. 37.

(38) •. Metoda szybkich neutronów. Wilgotny materiał poddawany jest napromieniowaniu szybkimi neutronami, które w wyniku zderzeń z jądrami atomów wodoru (protonami) tracą energię (zostają spowalniane) na rzecz energii kinetycznej protonów, zamienianej na ciepło. Gęstość neutronów wolnych (termicznych) jest miarą wilgotności substancji [38, 45]. Ich detekcja może odbywać się np. na drodze scyntylacji.. •. Metoda różnicy temperatur. Zawartość wilgoci w materiale opuszczającym suszarnię, pracującą w warunkach suszenia adiabatycznego, określa się na podstawie różnicy dwóch temperatur: temperatury wilgotnego termometru gazu suszącego i temperatury materiału opuszczającego suszarnię. Znając powyższą różnicę temperatur oraz dysponując empirycznymi izotermami dla danego materiału przy odpowiedniej wilgotności równowagowej, odczytuje się z wykresu zawartość wilgoci w materiale [38]. W niniejszej pracy pomiar wilgotności słomy wykonany został przy. wykorzystaniu pośredniej metody pojemnościowej za pomocą elektronicznych pojemnościowych. mierników wilgotności. względnej. powietrza i. temperatury. (RH/T, czujniki SHT11 wykorzystywane w niniejszej pracy opisane w rozdz. 5.1.2), które mierzą temperaturę i wilgotność powietrza znajdującego się wewnątrz suszonego materiału [59, 61, 77, 78]. Jest to zintegrowany czujnik SHT11 [79] mierzący jednocześnie temperaturę i wilgotność. W tym czujniku porowatą warstwą higroskopijną jest specjalny silikon. Zastosowana technologia gwarantuje doskonałą niezawodność i długoterminową stabilność. Czujnik ten posiada dwa sensory (pomiar temperatury i wilgotności), które połączone są z 14-bitowym przetwornikiem analogowo-cyfrowym i obwodem interfejsu szeregowego. Powoduje to lepszą jakość sygnału, krótki czas reakcji i niewrażliwość na zakłócenia zewnętrze. Każdy czujnik jest indywidualnie kalibrowany w specjalnej komorze klimatycznej. Otrzymane współczynniki kalibracyjne zaprogramowane są w wewnętrznej pamięci czujnika. Jest on niewielkiego rozmiaru i zużywa niewielkie ilości energii przez co może być wykorzystywany do najbardziej wymagających zastosowań [79]. Czujniki SHT11 pozwalają na pomiar wilgotności i temperatury na różnych głębokościach suszonego materiału, np. wewnątrz balotu słomy i umożliwiają zrozumienie mechanizmu suszenia i nagrzewania się słomy w trakcie trwania pomiaru. 38.

(39) Główną ich zaletą jest bardzo szybki i nieinwazyjny pomiar. W celu wykorzystania tej metody do wyznaczania wilgotności konieczne jest skorzystanie z wyznaczonych laboratoryjnie izoterm sorpcji dla danego materiału. Izotermy sorpcji wilgoci (rozdz.. 2.2.1). opisują. związek. między. równowagową. zawartością. wilgoci,. a wilgotnością względną w stałej temperaturze [80]. Na rys. 8 przedstawiono przykładowe izotermy sorpcji dla słomy na tle izoterm dla innych wybranych materiałów. Wykres ten potwierdza występowanie silnych właściwości sorpcyjnych wilgoci przez słomę, silniejszych niż np. dla drewna.. Rys. 8. Izotermy sorpcji dla słomy na tle wybranych materiałów, źródło: opracowanie własne na podstawie [81]. Izoterma sorpcji wilgoci jest niezwykle użytecznym narzędziem, ponieważ wymagana. jest. przewidywania. do zmian. przewidywania jego. stabilności. wilgotności. okresu. podczas. trwałości. przechowywania,. materiału, wyboru. i projektowania systemów pakowania oraz modelowania suszenia i optymalizowania urządzeń suszarniczych [82-85]. Wiele prac przedstawia wyznaczanie izoterm sorpcji dla różnych materiałów, w tym również dla słomy w różnych temperaturach [40, 51, 77, 81, 82, 85-87] w celu wyznaczania ilości wody w danym materiale. Na rys. 9 przedstawiona została przykładowa izoterma sorpcji dla słomy.. 39.

(40) Rys. 9. Izoterma adsorpcji słomy pszenicznej dla temperatury 21,1⁰ C, źródło: opracowanie własne na podstawie [86]. Powstało wiele modeli opisujących zależność pomiędzy równowagową wilgotnością materiału Xr, a wilgotnością względną φ i temperaturą t. Najczęściej stosowanymi w tym zakresie są [88]: 1) Modified Chung-Pfost,. 2) Modified Halsey,. 3) Modified Oswin,. 4) Modified Henderson,. 5) Modified GAB,. 𝜑 = 𝑒𝑥𝑝 [. −𝑎 𝑒𝑥𝑝(−𝑐𝑋𝑟 )] 𝑡+𝑏. (10). −𝑒𝑥𝑝(𝑎 + 𝑏𝑡) ] 𝑋𝑟 𝑐. (11). 𝜑 = 𝑒𝑥𝑝 [. 𝜑=. 1 𝑏𝑡 𝑐 (𝑎 + 𝑋 ) + 1 𝑟. 𝜑 = 1 − 𝑒𝑥𝑝[−𝑎(𝑡 + 𝑏)𝑋𝑟 𝑐 ]. 𝑋𝑟 =. (𝑎 + 𝑏𝑡)𝑐𝜑 (1 − 𝜑)(1 − 𝜑 + 𝑐𝜑). (12). (13). (14). 40.

(41) gdzie, Xr – równowagowa wilgotność materiału [%], φ – wilgotność względna [-], 1. a – stała modelu wyznaczana eksperymentalnie [⁰C], b – stała modelu wyznaczana eksperymentalnie [⁰C], c – stała modelu wyznaczana eksperymentalnie [-], t – temperatura [⁰C]. Przez [86] opracowane zostało równanie opisujące sorpcję wilgoci dla słomy pięciu różnych zbóż. Równanie to wyznaczone zostało w oparciu o [89, 90] i wyrażone zostało jako: 𝑋 1 − 𝐾 (1 − 𝑋𝑟 ) 𝜑= 3⁄ 𝑖 𝑋 − 1 𝑋 1 + ( 𝑟𝑛 ). (15). gdzie, X – wilgotność materiału [%], Xr50%RH – wilgotność równowagowa w wilgotności względnej φ, n, K, i – stałe równania,. 𝑛=. 𝑋 𝑋𝑟50% 𝑅𝐻. (16). Powyższe równanie zostało empirycznie dopasowane do danych adsorpcji słomy. Wartość X wyznaczona została eksperymentalnie przy wykorzystaniu metody opisanej w [91] i wynosi 400%. Stałe zostały wyznaczone empirycznie przez [86] i wynoszą: n = 44, K = 0,0227, i = 1,6. 41.

(42) Przekształcając powyższy wzór 15 otrzymamy zależność na wilgotność materiału w zależności od wilgotności względnej powietrza znajdującego się w otoczeniu materiału:. 𝑋𝑟 =. 𝑋 𝑖. ⁄3 𝐾 1 + 𝑛 ( 𝜑𝑚 − 1). (17). gdzie Km = 1 – K = 0,9773. Wzór 17, na potrzeby niniejszej pracy, zaadoptowany został do wyznaczenia wilgotności materiału (słomy) w zależności od wilgotności względnej czynnika znajdującego się w balocie słomy i mierzonego bezpośrednio przez opisane czujniki pomiarowe. Wykorzystanie wzoru 17 opisane zostało w rozdziale 5.1.3.. 42.

(43) 3. Technologie suszenia biomasy Niniejszy rozdział przedstawia przegląd stosowanych metod suszenia biomasy. Zostały omówione podstawowe problemy związane z tym zagadnieniem i sposoby ich rozwiązania. Na tym tle przedstawiona zostanie metoda suszenia wykorzystana w niniejszej pracy. Suszenie biomasy do celów energetycznych może przynieść zwiększenie efektywności energetycznej procesu spalania [25, 92, 93], jednakże zazwyczaj proces ten jest stosunkowo drogi, ze względu na konieczność dostarczenia dużej ilości energii do odparowania wody [94]. Najczęściej stosowanymi urządzeniami suszenia biomasy są: suszarnie bębnowe, suszarnie pneumatyczne, suszarnie fluidyzacyjne, suszarnie taśmowe [95-97]. W przeważającej mierze, w suszarniach tych jako czynnik suszący wykorzystuje się spaliny pochodzące ze spalania paliwa [98] lub parę technologiczną [96, 99]. Czynnik suszący jakim jest powietrze zazwyczaj stosuje się dla materiałów spożywczych [100-102]. Instalacje dla przemysłu spożywczego są znacznie droższe, czy to rozpatrując koszty inwestycyjne czy również eksploatacyjne [103]. Powyższe urządzenia stosowane są do suszenia materiałów sypkich lub rozdrobionych, aby proces suszenia odbywał się szybciej, a jednocześnie był bardziej energooszczędny. Niestety, metod tych nie można wykorzystać do suszenia materiałów o dużych rozmiarach jak np. baloty biomasy (słomy, siana, wierzby energetycznej). Do takiego typu materiałów należy stosować dedykowane rozwiązania.. 3.1.. Suszarnie bębnowe. W suszarnictwie przemysłowym najbardziej rozpowszechnione są suszarnie bębnowe i wykorzystywane są np. w przemyśle chemicznym, medycznym, papierniczym lub spożywczym [104-106]. Spowodowane jest to tym, iż mogą być one wykorzystywane do suszenia materiałów o różnym uziarnieniu, jak również materiałów o różnej wilgotności [107]. Suszarnie te posiadają stosunkowo prostą budowę, dużą przepustowość, ich konstrukcja pozwala na stosowanie relatywnie wysokich temperatur - nawet do 1100 ⁰C, oraz pozwala na pracę ciągłą [108]. Działanie tego rodzaju suszarni opiera się na obrocie pochylonego bębna, w którym znajduje się materiał suszony [109]. W trakcie obrotu materiał jest unoszony za pomocą łopatek, 43.