Essiccazione di lignite di varie origini in un essiccatore a letto fluido toroidale su scala pilota utilizzando calore di bassa qualità

UNastratto

È stato condotto uno studio sperimentale su ligniti di diverse origini, ovvero Polonia, Grecia, Romania e Australia, utilizzando un essiccatore a letto toroidale. L'effetto della temperatura sull'efficienza di essiccazione, inclusa la perdita di contenuto di umidità nel tempo in condizioni di essiccazione fisse, è stato oggetto dell'indagine. L'obiettivo principale era confermare la possibilità di utilizzare un letto toroidale come base per un sistema di essiccazione che potesse utilizzare calore di bassa qualità da fonti come i gas di combustione di una caldaia e determinare i parametri ottimali per tale sistema. Lo studio condotto ha dimostrato in modo conclusivo la fattibilità dell'uso di fonti di calore a bassa temperatura per l'essiccazione della lignite in un letto toroidale. Un contenuto di umidità del 20% potrebbe essere raggiunto per la maggior parte delle ligniti testate, utilizzando il letto toroidale, con tempi di residenza ragionevolmente brevi (circa 30 min) e una temperatura dell'aria bassa fino a 60 °C. Inoltre, il cambiamento della distribuzione delle dimensioni delle particelle, in una certa misura, ha influenzato il contenuto di umidità finale a causa del trascinamento di particelle fini e umide. Lo studio ha inoltre stabilito che l'attrito delle particelle nel letto è in parte responsabile della generazione di polveri fini.

Parole chiave:

essiccazione;lignite;letto toroidale;attrito;efficienza energetica

1. Introduzione

1.1. Essiccazione della lignite

La lignite è un combustibile fossile solido che viene utilizzato principalmente per la produzione di energia. Nonostante i recenti aumenti della potenza delle fonti di energia rinnovabile installate, l'uso della lignite è ancora significativo in tutto il mondo. Nel 2015 l'estrazione mondiale di lignite ha raggiunto quasi 811 milioni di tonnellate [1], di cui 399 milioni di tonnellate estratte in tutta l'UE [2]; la quota di produzione di energia elettrica derivante dalla lignite supera il 20% in diversi paesi come Australia, Bulgaria, Repubblica Ceca, Germania, Grecia, Polonia, Romania, Serbia e altri [2]. La lignite è un combustibile solido di basso rango [3], caratterizzato da un elevato contenuto di umidità. Ridurre il contenuto di umidità della lignite prima del suo utilizzo può aumentare il suo valore calorifico, ridurre il costo del suo trasporto a lunga distanza e ridurre le emissioni di gas serra derivanti dal suo utilizzo. L'essiccazione è anche un tipico prerequisito per le tecnologie che mirano a produrre prodotti ad alto valore aggiunto dalla lignite, come gli ammendanti del terreno [4]. Pertanto, un'indagine volta a razionalizzare l'uso della lignite e allo stesso tempo utilizzare il calore di bassa qualità, che altrimenti sarebbe stato sprecato, sembra ben giustificata.

Di recente è stato svolto molto lavoro sugli aspetti fondamentali dell'essiccazione della lignite. Park et al. hanno studiato l'impatto del tempo di essiccazione, della temperatura e della velocità dell'agente essiccante sull'efficienza di essiccazione della lignite indonesiana e hanno sviluppato un modello matematico che consentirebbe di prevedere il contenuto di umidità in base al tempo di residenza e alle condizioni di essiccazione [5]. Si et al. hanno studiato un'essiccazione a letto fluido assistita da microonde a 3 stadi di lignite in pezzi di Shengli e hanno determinato che la porosità della lignite essiccata diminuiva con l'aumento della potenza delle microonde [6]. Song et al. hanno determinato che il contenuto complessivo di umidità della lignite della Mongolia Interna orientale diminuiva più rapidamente con una potenza delle microonde più elevata [7]. Pusat e Herdem hanno determinato le caratteristiche di essiccazione della lignite turca Konya-Ilgin in un essiccatoio a letto fisso [8]. Lo studio ha determinato che il tempo di essiccazione richiesto aumentava con l'aumento dell'altezza del letto e che l'effetto della temperatura sulla velocità di essiccazione aumentava con l'aumento dell'altezza del letto [8]. Yang et al. hanno testato sperimentalmente il riassorbimento dell'umidità da parte della lignite dopo l'essiccazione in un letto fisso e hanno determinato la più alta resa di umidità riassorbita per la lignite essiccata a 100 °C a causa dell'elevato rapporto di volume relativo dei mesopori [9]. Feng et al. hanno studiato l'effetto dell'espressione termica meccanica sulla struttura della lignite e hanno determinato i cambiamenti nel volume dei pori tra la lignite grezza e le ligniti essiccate a temperature di essiccazione comprese tra 120 °C e 150 °C sotto pressioni rispettivamente di 10 MPa e 30 MPa [10]. Wen et al. hanno studiato la cinetica di essiccazione della lignite grezza e re-idratata e hanno determinato che la velocità di essiccazione della prima era più lenta rispetto alla seconda [11]. Inoltre, lo studio ha rilevato che il coefficiente di diffusione effettivo per la lignite umidificata è superiore al valore corrispondente per una lignite grezza [11].

Pawlak-Kruczek et al. hanno condotto uno studio che ha coinvolto sia l'indagine sperimentale che la simulazione numerica dell'essiccazione della lignite in un letto fluidizzato, utilizzando un agente essiccante a bassa temperatura (aria, max. 50 °C) [12]. Lo studio ha dimostrato la fattibilità complessiva del concetto di utilizzo di una fonte di calore a bassa temperatura. Inoltre, lo studio ha rivelato l'importanza di fattori quali le proprietà strutturali della lignite insieme al suo restringimento durante l'essiccazione [12]. Agraniotis et al. hanno confrontato le simulazioni CFD con i risultati sperimentali di un impianto di combustione di combustibile polverizzato da 1 MWth [13]. I risultati hanno mostrato una buona concordanza tra la simulazione e i risultati sperimentali. Le temperature misurate lungo l'asse del forno, in particolare nella parte inferiore del forno, erano più elevate nel caso di cottura di lignite secca, dove i vapori e il gas vettore non venivano ricircolati nel forno [13]. Ciò sembra essere in buon accordo con i risultati di un altro studio, condotto da Tahmasebi et al. che ha indagato la relazione tra il contenuto di umidità e l'accensione delle particelle di lignite cinese e indonesiana [14]. Questo studio ha determinato che l'aumento del contenuto di umidità della lignite testata ha ritardato significativamente la loro accensione [14]. Le simulazioni numeriche, eseguite da Drosatos et al. hanno dimostrato che l'uso di lignite pre-essiccata può migliorare la flessibilità della caldaia e consentirne il funzionamento a carichi estremamente bassi, pari al 35% del carico nominale [15]. Komatsu et al. hanno condotto esperimenti che prevedevano l'essiccazione di particelle grossolane di lignite, utilizzando vapore surriscaldato a 110 °C fino a 170 °C [16]. Lo studio ha concluso che il valore del tasso di essiccazione, durante il periodo di tasso di essiccazione costante, dipendeva esclusivamente dalla temperatura e dalla dimensione delle particelle di lignite, mentre la relazione durante il periodo di tasso di essiccazione decrescente era molto più complicata a causa delle crepe che iniziavano a formarsi sulla superficie delle particelle essiccate [16]. Pusat et al. hanno studiato l'essiccazione della lignite turca in un letto fisso, utilizzando aria di essiccazione a temperature comprese tra 70 °C e 130 °C e velocità comprese tra 0,4 e 1,1 m/s [17]. La dimensione delle particelle della lignite variava tra 20 e 50 mm e per tali particelle grossolane non è stato osservato un periodo di velocità di essiccazione costante durante gli esperimenti eseguiti [17]. Sciazko et al. hanno condotto indagini sperimentali sull'influenza delle proprietà petrografiche sulle caratteristiche di essiccazione della lignite di Turoszów nell'essiccazione a vapore surriscaldato [18]. L'indagine è stata condotta utilizzando particelle sferiche da 5 mm e 10 mm, con temperature comprese tra 110 °C e 170 °C [18] e ha concluso che il tempo di essiccazione, la velocità di essiccazione, i gradienti di temperatura, il comportamento di fessurazione e restringimento dipendono dal litotipo della lignite testata [18].

La rottura e l'attrito durante l'essiccazione della lignite australiana in un letto fisso e in un letto fluidizzato a una temperatura di 130 °C sono stati oggetto di un ampio studio condotto da Stokie et al. [19]. Lo studio ha concluso che la causa principale della rottura è la transizione tra acqua in massa e acqua non congelabile [19]. Le variazioni delle dimensioni delle particelle tra il piccolo letto fisso e il piccolo letto fluidizzato (campione da 10 g), indicate dal diametro d50, erano insignificanti. Tuttavia, è stata notata una differenza significativa nella variazione delle dimensioni delle particelle per il grande letto fluidizzato (dimensione del campione 3 kg) indicando la grande influenza dell'effetto della scala del letto.

1.2. Reattore a letto toroidale

Il reattore a letto fluido toroidale è un tipo speciale di reattore a letto fluido, con un sistema di distribuzione del gas costituito da pale angolate, situate nella parte inferiore del reattore [20]. Questa disposizione consente l'intensificazione delle prestazioni del letto [21,22], cioè intensificazione del trasferimento di calore e di massa [20,21] e anche una migliore miscelazione [21,23,24]. Ciò è dovuto al modello di flusso vorticoso ed è caratteristico di tutti i reattori a vortice [24,25,26,27]. In termini di prestazioni del reattore, consente un aumento della produttività (aumento della produttività) con tempi di residenza ridotti [28]. La maggior parte dei lavori pubblicati finora, su tali tipi di letto, coinvolge vari tipi di elaborazione termica [29,30], processo di calcinazione [31] o intensificazione dell'assorbimento per la cattura del carbonio [32]. Sono scarse le informazioni sull'essiccazione in tali letti fluidizzati con modelli di flusso toroidali [33]. Questo studio mira a colmare questa lacuna di conoscenza.

1.3. Obiettivi, portata e aspetti di novità del lavoro svolto

Come mostrato inSezione 1.1, l'essiccazione della lignite è un processo complesso, dipendente da molti parametri (temperatura, tempo di residenza, agente essiccante, metodo di essiccazione e proprietà della lignite). Esiste una lacuna di conoscenza, riguardante la cinetica di essiccazione e il consumo di energia per l'essiccazione in letti toroidali altamente turbolenti. Inoltre, è un prerequisito per qualsiasi studio mirato all'integrazione di tali essiccatori, che utilizzano calore di scarto di bassa qualità, nelle centrali elettriche a lignite. Ciò consentirebbe di confrontare i potenziali risparmi derivanti dall'uso di nuove soluzioni con i risparmi energetici, già dimostrati per le soluzioni di essiccazione della lignite esistenti, utilizzando agenti essiccanti a temperature più elevate [34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46].

Questo studio mira a colmare tale lacuna mediante l'indagine sull'essiccazione di ligniti di varie origini in un letto toroidale, utilizzando l'aria come agente essiccante. Ci si aspettava che tale configurazione avrebbe causato l'intensificazione del trasferimento di massa e calore, consentendo successivamente l'uso dell'agente essiccante a una temperatura relativamente bassa. È stato condotto uno studio sperimentale, utilizzando un essiccatore a letto toroidale, per ligniti di diversi paesi di origine, ovvero Polonia, Grecia, Romania e Australia. L'effetto della temperatura sull'efficienza dell'essiccazione, inclusa la perdita di contenuto di umidità nel tempo a condizioni di essiccazione fisse, è stato oggetto dell'indagine. Sono state determinate e confrontate la cinetica dell'essiccazione e il consumo di energia durante l'essiccazione a diverse temperature medie. Lo studio mirava a identificare l'ottimale dei parametri del processo di essiccazione, ovvero temperatura e tempo di residenza, tenendo conto della velocità di essiccazione e del consumo di energia. Tuttavia, anche altri fattori, come l'umidità relativa dell'agente essiccante insieme alle proprietà intrinseche della materia prima, hanno avuto una profonda influenza sul processo di essiccazione. La metodologia utilizzata nello studio è universalmente applicabile ai processi di essiccazione in generale. Da questo punto di vista, la serie di esperimenti eseguiti può essere considerata un caso di studio che dimostra l'ampia applicabilità del metodo di prova.

Lo scopo principale dello studio eseguito era di confermare la possibilità di utilizzare un letto toroidale come base per un sistema di essiccazione che potesse utilizzare calore di bassa qualità da fonti come i gas di combustione di una caldaia. Un tale tipo di essiccatore a letto fluido non è mai stato utilizzato per l'essiccazione della lignite, il che, insieme al potenziale utilizzo di calore di bassa qualità, sottolinea la novità dello studio eseguito. Inoltre, lo studio eseguito mirava a trovare i parametri di essiccazione più efficaci, ovvero i parametri che consentono di ottenere il consumo minimo di energia per rimuovere 1 kg di H2O contenuto in superficie e nei pori delle particelle di lignite.

2. Materiali e metodi

2.1. Caratteristiche delle ligniti testate

Campioni di lignite polacca sono stati ottenuti dalla miniera a cielo aperto di Sieniawa. La lignite di Sieniawa è costituita prevalentemente da litotipi xilodetritici e detroxilitici [47]. La lignite greca è stata ottenuta dalla miniera South Field che rifornisce la centrale elettrica di Agios Dimitrios gestita dalla Public Power Corporation. Un campione di lignite rumena è stato prelevato dalla miniera di Peșteana, che fornisce combustibile alla centrale elettrica di Rovinari dell'Oltenia Energy Complex. La lignite australiana è stata ottenuta dalla miniera di Yallourn nella Latrobe Valley, che rifornisce la centrale elettrica di Yallourn di Energy Australia. Tutte le ligniti erano state pre-frantumate fino alla dimensione nominale massima di 8 mm, prima dei test eseguiti.

La caratterizzazione di base delle ligniti utilizzate per questo studio è stata eseguita mediante analisi prossima e ultima, che è il modo tipico per caratterizzare i combustibili solidi. Analisi prossima delle ligniti (Tabella 1) è stato eseguito utilizzando un Perkin Elmer Diamond TGA (331 Treble Cove Rd., Billerica, MA 01862, USA). Durante questi test è stato applicato il seguente programma:

Tabella 1.Analisi prossimale ed elementare delle ligniti testate.

(1) Fase iniziale

∘

Riscaldare fino a 105 °C; rampa 10 °C/min

∘

Tieni premuto per 10 minuti

(2 a) Per ottenere il contenuto di ceneri è stata utilizzata aria:

∘

Riscaldamento fino a 815 °C; rampa 50 °C/min

∘

Tenere premuto per 15 minuti

(2 b) Per ottenere il contenuto di materia volatile è stato utilizzato l'argon:

∘

Riscaldamento fino a 850 °C; rampa 50 °C/min

∘

Tenere premuto per 15 minuti

Il potere calorifico superiore è stato determinato utilizzando un calorimetro a bomba basica IKA C2000 (KA®-Werke GmbH & Co. KG, Janke & Kunkel-Str. 10, 79219 Staufen, Germania), in conformità alla norma ISO 1928. È stato utilizzato il metodo isoperibolico. Il potere calorifico inferiore è stato calcolato utilizzando il contenuto di umidità e idrogeno. Analisi finale (Tabella 1) è stata eseguita utilizzando un analizzatore Perkin Elmer 2400 (331 Treble Cove Rd., Billerica, MA 01862, USA), secondo lo standard polacco PKN-ISO/TS 12902:2007. La distribuzione granulometrica è stata determinata utilizzando un set di setacci calibrati, conformi alla norma ISO 3310-1.

2.2. Banco di prova: essiccatore a letto fluido toroidale

Durante la serie di esperimenti descritti in questo studio, è stato utilizzato un impianto a letto fluido toroidale per eseguire l'essiccazione. Uno schema dell'installazione è mostrato inFigura 1. Il banco di prova ha funzionato in modalità batch. Un lotto di circa 2,5 kg di lignite è stato alimentato manualmente attraverso una tramoggia di alimentazione (E4 inFigura 1) durante ogni prova. La temperatura dell'aria di essiccazione è stata mantenuta utilizzando due riscaldatori con un sistema di controllo della temperatura, ciascuno con una potenza nominale di 3 kW (E20 ed E17 inFigura 1). L'aria di essiccazione è stata fornita da un ventilatore (E3 inFigura 1) con una portata di aria calda di circa 130 m3/h per ottenere le stesse velocità per ciascuna delle prove. La portata è stata controllata tramite valvole (E7 inFigura 1).

Figura 1.Installazione Torbed: schema.

L'essiccatore a letto toroidale, mostrato inFigura 1, è una colonna cilindrica verticale chiusa superiormente da un tronco di cono rovesciato, in cui avviene direttamente lo scambio termico tra l'aria e il materiale essiccato. Nella parte inferiore della camera di fluidizzazione sono installate delle pale di vortice per creare un vortice all'interno della camera di essiccazione.

Durante la serie di esperimenti eseguiti sono stati misurati i seguenti parametri: temperatura, umidità relativa, portata d'aria e consumo di elettricità da parte di ciascuno dei dispositivi. Sensori di temperatura e umidità sono stati installati all'ingresso dell'aria calda nell'essiccatore (T4 e Rh1 inFigura 1) e all'uscita dell'impianto (T2 e Rh2 inFigura 1). Le temperature sono state misurate utilizzando sensori Pt1000 standard, con specifiche conformi ai requisiti di classe A definiti in EN 60751. L'umidità relativa (RH), che è il volume di vapore acqueo nell'aria diviso per il volume massimo di vapore acqueo, per una data temperatura e pressione, è stata misurata utilizzando sensori HC1000-400 e trasmettitori EE31 con un intervallo di lavoro da 0 a 100% RH, intervallo di temperatura compreso tra -40 e 80 °C, tempo di risposta < 15 s e accuratezza pari al 2,4% (per l'intervallo di confidenza del 95%). La portata dell'aria di essiccazione è stata misurata da un misuratore di portata di massa FCI ST-50 con un'accuratezza pari a ±2% della lettura. Il carico elettrico del ventilatore è stato misurato con un misuratore di Watt utilizzando un misuratore di rete ND20 prodotto da Lumel, con un'accuratezza pari a ±1% dell'intervallo di misura (1,65 kW). Tutti i valori sono stati registrati con un intervallo di campionamento di 1 s.

2.3. Modello di calcolo zero-dimensionale dell'essiccazione: il bilancio termico dell'essiccatore

In questo studio è mostrato uno schema di un modello di essiccatore a dimensione zero, utilizzato per questo studio.Figura 2. Il modello descrive un essiccatore a stadio singolo con un riscaldatore dell'agente essiccante esterno aggiuntivo. Il modello è costituito da un paio di sottocomponenti. È stato utilizzato per il calcolo dell'energia consumata dall'essiccatore durante l'intero esperimento, nonché per il calcolo della massa di acqua rimossa, in base all'umidità relativa dell'aria all'uscita dell'essiccatore. Secondo la legge di conservazione dell'energia, la somma dell'entalpia in entrata nell'essiccatore deve essere uguale alla somma dell'entalpia in uscita dall'essiccatore. L'equazione del rispettivo modello dell'essiccatore è:

��1+��2=��3+��4+��5�1+�2=��3+��4+�5

(1)

Dove:

Figura 2.Schema di un essiccatore monostadio con riscaldatore dell'agente essiccante esterno aggiuntivo.

��1�1 è l'entalpia dell'aria di essiccazione all'uscita dello scambiatore di calore;

��2�2 è l'entalpia della lignite umida che entra nell'essiccatore, che può essere separata nell'entalpia dell'acqua nel materiale e nell'entalpia della materia secca;

��3�3 è l'entalpia dell'aria umida in uscita dall'essiccatore;

��4�4 è l'entalpia della lignite essiccata in uscita dall'essiccatore;

��5�5 rappresenta la perdita di entalpia verso l'ambiente da parte dell'involucro dell'essiccatore.

Secondo la norma EN ISO 13788:2001 la pressione di vapore saturo è stata calcolata:

��������=610·��17,269·��237,5+�� ������ ��≥0 °������=610·�17,269·�237,5 +� ��� �≥0 °�

(2)

Dove:

Psab—pressione di vapore saturo, Pa;

T—temperatura, °C.

Contenuto di umidità assoluta nell'aria, tenendo conto dell'umidità relativa misurata:

��=0,622��·��������100·��−��·����������=0,622�·����100·�−�·����

(3)

Dove:

X—contenuto di umidità assoluto nell'aria, kg·m−3 (aria secca);

φ—umidità relativa dell'aria, %;

P—pressione dell'aria umida (ambiente), Pa;

Psab—pressione di vapore saturo, Pa.

L'aumento del contenuto di umidità nell'aria corrispondente alla perdita di contenuto di umidità nella lignite:

Δ��=0,622(��2·��������2100·��−��2·��������2−��0·��������0100 ·��−��0·��������0)Δ�=0.622(�2·����2100·�−�2·����2−�0·���� 0100·�−�0·����0)

(4)

Dove:

ΔX—aumento dell'umidità assoluta dell'agente essiccante (aria), kg·m−3;

La quantità di acqua rimossa dalla lignite in un dato intervallo di tempo corrisponde alla differenza nella quantità di acqua contenuta nell'aria all'ingresso e all'uscita dell'essiccatoio. Il valore istantaneo della perdita di acqua da parte della lignite (tra due momentiT1 eT2) sono determinati dalla formula:

����������=Δ����������·��������·��������(��2−��1)� ����=Δ�����·����·����(�2−�1)

(5)

Dove:

Mevaporare—perdita di acqua nel carbone, kg;

ΔX—aumento dell'umidità assoluta dell'agente essiccante (aria), kg·m−3;

�������������—densità dell'aria umida, kg·m−3;

�������������—densità dell'aria secca, kg·m−3;

EBagnato—il flusso d'aria all'ingresso dell'essiccatore, m3·h−1.

2.4. Metodo e programma di prova

Sono state eseguite prove di essiccazione sullo stand presentato inFigura 1per il flusso di aria calda di 130 m3·h−1 alle temperature di 35 °C, 50 °C, 60 °C, 70 °C e 80 °C. Sono state effettuate prove fino a quando la variazione dell'umidità dell'aria di essiccazione, tra l'ingresso e l'uscita dell'essiccatore, è stata ritenuta insignificante (vedereFigura 3). Quando si raggiungeva quel punto, la lignite aveva raggiunto l'equilibrio con l'aria secca in entrata, quindi non era possibile un'ulteriore essiccazione. Il raggiungimento di questo stato da parte dell'essiccatore è definito come raggiungimento del contenuto di umidità finale e il tempo per raggiungere questo valore è chiamato tempo di essiccazione. Con l'aumento della temperatura dell'agente essiccante, si raggiungeva in genere un contenuto di umidità finale inferiore in tempi di essiccazione relativamente più brevi.Figura 3mostra i valori misurati e registrati durante il test di essiccazione della lignite polacca alla temperatura di 50 °C. Il grafico mostra solo quei parametri che vengono utilizzati per calcolare la cinetica di essiccazione e per determinare il consumo energetico del processo di essiccazione, ovvero flusso d'aria, temperatura e umidità all'ingresso e all'uscita dell'essiccatore).

Figura 3.Un esempio di prova di essiccazione della lignite polacca alla temperatura di 50 °C.

3. Risultati

Sono stati eseguiti test di essiccazione per l'essiccatoio a torbed, utilizzando ligniti provenienti da Polonia, Grecia, Romania e Australia. I risultati dell'analisi prossima ed elementare sono presentati inTabella 1.Figura 4presenta le distribuzioni granulometriche delle particelle, che rappresentano le medie di tutti i test eseguiti nell'intero intervallo di temperature.

Figura 4.Distribuzione granulometrica delle particelle di lignite di varia origine prima e dopo l'essiccazione nell'impianto Torbed.

Figura 5confronta la dimensione media delle particelle per la lignite umida e secca e confronta i risultati ottenuti in questo studio con i risultati pubblicati in un altro studio sull'essiccazione in un letto fluidizzato. Rappresenta i rispettivi cambiamenti della dimensione media delle particelle (d50) per ciascuna delle ligniti dovuti all'essiccazione eseguita. Rappresenta la differenza tra la lignite polacca e le altre ligniti utilizzate per questo studio. Mostra inoltre che i cambiamenti nella dimensione media delle particelle variavano tra le ligniti. I cambiamenti nei diametri d50 variavano tra le diverse ligniti (Figura 5), con una variazione relativa più elevata per la lignite australiana e più bassa per quella rumena.

Figura 5.Dimensione media delle particelle (d50) per lignite umida e secca (* risultati di Stokie et al. [19] per confronto).

Considerando il principio di funzionamento dell'essiccatore a letto toroidale, sembra plausibile aspettarsi che l'attrito delle particelle possa essere considerato anche uno dei fattori che influenzano il cambiamento della distribuzione dimensionale delle particelle dopo l'essiccazione. La prova della struttura indebolita e screpolata delle particelle essiccate nel letto toroidale è dimostrata nelle immagini SEM mostrate nella Figura 8.

Figura 6EFigura 7mostrano esempi di diverse distribuzioni del contenuto di umidità tra particelle di dimensioni diverse. Queste due figure dimostrano chiaramente che le particelle fini sono state trascinate prematuramente fuori dal letto toroidale. Ciò ha portato a un contenuto di umidità più elevato delle particelle fini trascinate, all'uscita dell'essiccatore.Figura 8mostra una differenza in termini di superficie di due particelle di lignite, una essiccata in un forno a muffola a 100 °C e l'altra essiccata in un letto toroidale a 50 °C.

Figura 6.Differenza tra il contenuto di umidità di particelle di diverse dimensioni nella lignite umida e in quella essiccata: un esempio di lignite greca per diverse temperature del processo di essiccazione.

Figura 7.Differenza tra il contenuto di umidità di particelle di diverse dimensioni per lignite umida e secca: un esempio di lignite australiana per varie temperature del processo di essiccazione. La cinetica di essiccazione, per la lignite di Sieniawa, nell'impianto di essiccazione e il consumo energetico totale per kg di acqua rimossa sono presentati inFigura 9EFigura 10, rispettivamente.Figura 9mostra curve che rappresentano la perdita di umidità per la lignite della miniera di Sieniawa. Al di sotto del contenuto di umidità finale del 15% si verifica una significativa riduzione della velocità di essiccazione per tutte le temperature dell'agente essiccante. Questo valore è chiamato contenuto di umidità critico e dipende principalmente dalla struttura della lignite e dalla sua chimica. Questo è un indicatore utile che consente di determinare la proporzione di acqua trattenuta fisicamente all'interno della struttura della lignite attraverso forze capillari e la quantità di acqua legata chimicamente, ad esempio da deboli legami idrogeno con gruppi funzionali OH. Il parametro in sé non fornisce un punto di taglio netto e dipende leggermente dalle condizioni di essiccazione.

Figura 8.Immagini SEM della lignite australiana essiccata in un forno a muffola da laboratorio a 100 °C (UN,C,E) e essiccatore a 50 °C (B,D,F)—ingrandimenti ×300 (UN,B), ×750 (C,D) e ×1500 (E,F); campione setacciato attraverso un setaccio con apertura di 0,4 mm.

Figura 9.Cinetica di essiccazione nell'impianto di essiccazione della lignite polacca.

Figura 10.Consumo energetico totale per kg di acqua rimossa durante l'essiccazione della lignite polacca nell'impianto di essiccazione.

In modo simile vengono presentati la cinetica di essiccazione della lignite greca nell'impianto di torba e il consumo energetico totale per kg di acqua rimossa.Figura 11EFigura 12, rispettivamente. La lignite greca richiedeva tempi di residenza molto più elevati per raggiungere lo stesso contenuto di umidità, rispetto alla lignite polacca. Energia di essiccazione specifica, mostrata inFigura 12, era simile ai livelli registrati per la lignite polacca. Tuttavia, un rapido aumento del consumo energetico specifico è iniziato molto prima per la lignite greca. Tenendo conto del contenuto di umidità iniziale quasi identico della lignite polacca e greca, sembra plausibile concludere che quest'ultima presenta un contenuto di umidità critica più elevato, ovvero la sua essiccazione è più difficile.

Figura 11.Cinetica di essiccazione nell'impianto di essiccazione della lignite greca.

Figura 12.Consumo energetico totale per kg di acqua rimossa durante l'essiccazione della lignite greca nell'impianto di essiccazione.

Figura 13EFigura 14mostrano, rispettivamente, la cinetica di essiccazione nell'impianto di torbed e il consumo energetico totale per kg di acqua rimossa, per la lignite rumena. In termini di cinetica di essiccazione, la lignite rumena (Figura 13) può essere considerato un tipo intermedio che si asciuga più velocemente rispetto alla lignite greca e più lentamente rispetto alla lignite polacca. Il campione di lignite rumena ha mostrato il più basso contenuto di umidità iniziale tra tutti i campioni testati. In termini di consumo energetico specifico, la lignite rumena ha dimostrato un comportamento simile alla lignite greca rispetto al momento in cui è iniziato il forte aumento (Figura 14). La cinetica di essiccazione, nell'impianto di essiccazione e il consumo energetico totale per kg di acqua rimossa, per la lignite australiana sono presentati inFigura 15EFigura 16.

Figura 13.Cinetica di essiccazione nell'impianto di essiccazione per la lignite rumena.

Figura 14.Consumo energetico per kg di acqua rimossa durante l'essiccazione della lignite rumena nell'impianto di essiccazione.

Figura 15.Cinetica di essiccazione nell'impianto di essiccazione per la lignite australiana.

Figura 16.Consumo energetico per kg di acqua rimossa durante l'essiccazione della lignite australiana nell'impianto di essiccazione.

Dati presentati inFigura 17fornisce un'indicazione del tempo di residenza richiesto necessario per raggiungere il contenuto di umidità del 20%, ad eccezione della lignite australiana. In quel caso viene mostrato il tempo di essiccazione necessario per ottenere il contenuto di umidità finale del 35%. La lignite australiana di solito necessitava di tempi di residenza sostanzialmente più elevati rispetto ad altri campioni.

Figura 17.Tempo di essiccazione necessario per raggiungere il contenuto di umidità finale per ligniti testate di varie origini nell'impianto di combustione.

Figura 18riassume il consumo energetico medio necessario per raggiungere un contenuto di umidità del 20% per i tipi di lignite testati nell'impianto di torbed (ad eccezione della lignite australiana, per la quale è indicata l'energia per essiccare fino al 35% per il contenuto di umidità). I dati presentati inFigura 18fornisce una piccola panoramica che potrebbe aiutare nell'ottimizzazione del processo di essiccazione per un essiccatore di lignite basato sul design del letto toroidale. Mostra un consumo energetico totale medio per kg di acqua rimossa durante il processo di essiccazione. Viene presa una media, poiché il consumo di energia dell'intero processo è di interesse dal punto di vista pratico. La lignite australiana era diversa dalle altre ligniti testate, con il suo contenuto di umidità iniziale vicino al 65% e un contenuto di ceneri eccezionalmente basso, leggermente inferiore al 2% (vedereTabella 1). Questa lignite si è rivelata la più difficile da essiccare (vediFigura 15) e ha richiesto il tempo più lungo per raggiungere un contenuto di umidità finale paragonabile a quelli ottenuti dalle altre ligniti. Nel complesso, il contenuto di umidità finale (corrispondente al valore dell'umidità di equilibrio alla temperatura dell'aria di essiccazione) per ciascuna delle temperature di essiccazione è stato il più alto nel caso della lignite australiana.

Figura 18.Consumo energetico medio necessario per raggiungere un contenuto di umidità del 20% per i tipi di lignite testati nell'impianto di combustione (* il consumo energetico per la lignite australiana è indicato per un contenuto di umidità finale del 35%, a causa di un contenuto di umidità iniziale relativamente elevato).

4. Discussion

L'essiccazione della lignite, nell'essiccatore a letto toroidale, è seguita dalla riduzione delle dimensioni delle singole particelle, con conseguente cambiamento significativo della distribuzione dimensionale. È chiaro, osservando ilFigura 4, che una certa quantità di particelle più fini viene prodotta durante il processo di essiccazione. I risultati ottenuti da Stokie et al. per lo stesso tipo di lignite erano leggermente diversi, vale a dire, l'attrito era molto più basso (Figura 5). Nel letto fluidizzato, secondo Stokie et al. [19], l'effetto della scala è stato significativo, poiché gli esperimenti con un campione da 10 g non hanno comportato alcun attrito, mentre gli esperimenti con un campione da 3 kg hanno mostrato alcune differenze tra d50 di campioni di lignite umidi e secchi (Figura 5). Poiché la dimensione del campione utilizzata per questo studio era simile (2,5 kg), si può affermare che l'effetto dell'attrito durante l'essiccazione nel letto toroidale è molto più elevato rispetto a un tipico letto fluidizzato. Ciò può essere utilizzato come conferma del grado più elevato di turbolenza che si verifica nel letto toroidale.

Considerando gli esempi dell'effetto di essiccazione della lignite greca e australiana (Figura 6EFigura 7, rispettivamente) è relativamente facile osservare che generalmente le particelle fini presentano un contenuto di umidità relativamente più elevato dopo l'essiccazione nel letto toroidale. Sembra plausibile supporre che ciò sia dovuto al trascinamento delle particelle fini fuori dal letto toroidale, quando la densità della particella diminuisce con l'essiccazione, abbassando così la velocità terminale della particolare particella. La differenza più elevata è stata ottenuta per la lignite australiana, che aveva anche un contenuto di ceneri molto più basso, rispetto agli altri tipi di lignite. Sembra plausibile supporre che un basso contenuto di ceneri corrisponda a una densità reale inferiore delle particelle. Il trascinamento osservato ha ridotto il tempo di residenza delle particelle, il che ha impedito l'essiccazione delle particelle fini. Ovviamente una temperatura sufficientemente bassa dell'agente essiccante nel letto toroidale, diminuita per evaporazione, ne diminuisce la velocità abbastanza da ridurre al minimo la perdita di fini umidi, il che è chiaramente dimostrato alFigura 7.

In alcuni casi (Figura 7) anche le particelle di lignite australiana con un diametro relativamente vicino alla dimensione superiore hanno mostrato un contenuto di umidità superiore alla media per l'intero campione. Ciò d'altra parte dovrebbe essere attribuito al tempo di essiccazione insufficiente, che era una conseguenza del contenuto di umidità iniziale significativamente elevato della lignite. Nel caso di particelle grossolane, sarebbe necessario un tempo di residenza più elevato per raggiungere un contenuto di umidità simile a quello delle particelle di dimensioni medie.

Un altro fattore che gioca un ruolo importante nel cambiamento della distribuzione granulometrica del campione essiccato è il restringimento delle particelle durante il processo di essiccazione, come già illustrato inFigura 4. Tale comportamento potrebbe causare il restringimento delle particelle più grandi, aumentando così la quota totale di particelle fini quando si considera la distribuzione delle dimensioni cumulative. D'altro canto, è ragionevole aspettarsi che il restringimento delle particelle controbilanci l'effetto sopra menzionato del trascinamento prematuro delle particelle fini, dovuto all'aumento della densità per la stessa massa secca della particella, causato dal volume ridotto della particella.

Le crepe della struttura sono chiaramente visibili nelle immagini SEM con ingrandimenti maggiori (×1500). Queste crepe non sono apparse quando lo stesso campione è stato essiccato in un forno a muffola da laboratorio (su vassoi). Pertanto, sembra plausibile trarre la conclusione che le crepe non sono state causate dall'evaporazione dell'acqua stessa, ma piuttosto dal principio di funzionamento del letto. Pertanto, l'attrito e la caduta delle particelle potrebbero essere considerati come uno dei fattori che influenzano il cambiamento nella distribuzione delle dimensioni delle particelle della lignite essiccata. A causa del suddetto indebolimento della struttura delle particelle essiccate, ci si può ragionevolmente aspettare che la macinabilità della lignite essiccata aumenterebbe sicuramente rispetto alla corrispondente materia prima umida. Inoltre, il grado di cambiamenti tra ligniti di diversa origine variava notevolmente per le stesse condizioni di essiccazione (Figura 4), che implica alcune differenze strutturali tra tutti i diversi tipi di lignite nell'ambito di questo studio. Tuttavia, non si devono trascurare gli effetti negativi, poiché la produzione di quantità aggiuntive di fini potrebbe portare la miscela di agente essiccante e lignite essiccata entro il limite di concentrazione esplosiva, il che, in combinazione con l'elevato attrito, potrebbe causare una scarica statica e un'esplosione. Pertanto, gran parte dell'attenzione del progettista dovrebbe essere rivolta alla messa a terra delle parti nell'essiccatore e nella condotta che sono a contatto con il letto di materiale trascinato dall'agente essiccante. Inoltre, il carico solido (la proporzione del flusso d'aria volumetrico e la portata di massa della materia prima) dovrebbe essere considerato attentamente per ottenere una concentrazione di fini al di sotto del limite inferiore di esplosività (LEL) della particolare materia prima.

Energia specifica consumata per rimuovere un chilogrammo di acqua, rappresentata inFigura 10, consiste nel calore necessario per riscaldare l'agente essiccante (aria) dalla temperatura ambiente a quella di essiccazione e nell'elettricità consumata dal ventilatore. Quest'ultimo cambia leggermente a causa della caduta di pressione ridotta attraverso il letto toroidale, causata dalla massa ridotta, dovuta all'essiccazione graduale. Tuttavia, il cambiamento principale dell'energia di essiccazione specifica è causato dal fatto che lo stesso apporto di energia termica dell'aria viene consumato da una quantità minore di umidità rimossa dal materiale, ovvero la perdita di massa dovuta alla rimozione dell'umidità è gradualmente inferiore (dm/dt inferiore). Informazioni simili possono essere ottenute daFigura 3, dove l'umidità relativa dell'agente essiccante all'uscita dell'essiccatore mostra un netto massimo e inizia a diminuire oltre tale punto.

L'energia specifica totale per l'essiccazione può essere significativamente inferiore nel caso di recupero di calore dall'aria di uscita, specialmente per un input di temperatura dell'aria più elevata. Le osservazioni sono simili per tutti i campioni di lignite testati. Tuttavia, i risultati stessi sono diversi, nonostante condividano un modello comune. Queste differenze suggeriscono differenze strutturali tra ligniti di origini diverse.

Un fenomeno interessante è stato un consumo energetico più elevato per l'essiccazione della lignite rumena a 35 °C e 50 °C. Ciò può essere spiegato da una resistenza relativamente elevata del letto rispetto ad altre ligniti. Inoltre, il cambiamento nella distribuzione delle dimensioni delle particelle tra la lignite rumena umida e quella essiccata è uno dei più bassi tra tutte le ligniti (vedereFigura 4). Ciò potrebbe suggerire che l'attrito diventa più significativo solo dopo l'essiccazione a temperature superiori a 50 °C. Confrontandolo con il consumo di energia per l'essiccazione della lignite greca (Figura 12) è ragionevole concludere che la soglia di abbandono è più elevata nel caso della lignite rumena (Figura 4). Nel caso della lignite greca solo il test eseguito a 35 °C ha prodotto un consumo energetico maggiore rispetto all'essiccazione della stessa lignite a temperature più elevate. Nel caso di entrambi i tipi di lignite, le differenze strutturali sembrano essere l'unica spiegazione plausibile di questo comportamento. Inoltre, tale comportamento non è stato osservato durante le prove eseguite con la lignite polacca. Un indicatore comune della somiglianza strutturale potrebbe essere il contenuto di ceneri, poiché era simile sia per la lignite greca che per quella rumena (circa il 40%), che era diverso per entrambe le ligniti polacche (contenuto di ceneri circa il 20% per entrambe).

La selezione corretta dei parametri di essiccazione ottimali dovrebbe essere selezionata per ogni tipo di lignite individualmente, a causa delle sue proprietà uniche, determinate dalla sua struttura. Inoltre, la prima stima dei parametri di essiccazione è anche di fondamentale importanza in termini di dimensionamento corretto dell'essiccatore che dovrebbe soddisfare le aspettative richieste in termini di capacità e qualità del prodotto, definite dal suo contenuto di umidità richiesto della lignite essiccata. Il riepilogo dei dati è presentato inFigura 17EFigura 18I risultati ottenuti mostrano chiaramente che la modifica del tempo di residenza richiesto perde importanza per temperature di essiccazione superiori a 60 °C, il che implica che temperature di essiccazione più elevate non consentirebbero alcun guadagno significativo in termini di riduzione delle dimensioni dell'attrezzatura di essiccazione. I dati potrebbero anche essere utilizzati per l'ottimizzazione dell'unità esistente, nell'ipotesi che la procedura di test simile verrebbe applicata alla particolare lignite. I dati presentati potrebbero anche essere utili nella gestione delle aspettative relative al contenuto di umidità che può essere raggiunto in pratica per ciascuna delle ligniti singolarmente. La serie di test eseguiti ci ha permesso di determinare che per la maggior parte delle ligniti il ​​contenuto di umidità fattibile che può essere raggiunto dopo l'essiccazione è del 20%. L'unica eccezione è la lignite dall'Australia, nel caso della quale il contenuto di umidità fattibile dopo l'essiccazione è stato valutato al 35%. La lignite di Sieniawa è stata selezionata come campione rappresentativo complessivo per le ligniti polacche.

L'elevato contenuto di umidità iniziale e la struttura fisica della lignite australiana hanno posto difficoltà pratiche, a causa dei grumi di materiale del letto che si attaccavano alle pareti e ricadevano sul letto a causa dell'attrito, il che ha distorto le misurazioni del consumo energetico specifico (vedereFigura 16). I grumi che si sono attaccati alle pareti dell'essiccatoio a un certo punto sono caduti, probabilmente a causa dell'attrito, causato dal letto toroidale. Tuttavia, si può affermare che il consumo energetico specifico per l'essiccazione della lignite australiana, è stato molto più elevato rispetto a tutti gli altri tipi di lignite per un'umidità finale nell'ordine del 10%.

Nel complesso tutte le ligniti, eccetto quella australiana, presentano tempi di residenza richiesti simili, il che indica che la dimensione richiesta dell'essiccatore non sarebbe significativamente diversa in questi casi. Per il caso di essiccazione della lignite polacca a 35 °C, il tempo richiesto è anche significativamente diverso, rispetto alla lignite rumena e greca. Per la lignite polacca, il tempo di essiccazione della lignite a 35 °C è stato di 73 min raggiungendo un contenuto di umidità finale del 12,9%. L'essiccazione a 70 °C e 80 °C ha comportato un tempo di essiccazione significativamente più breve (circa 28 min) e ha consentito di ottenere un grado di essiccazione maggiore, raggiungendo un'umidità finale inferiore all'8%.

GuardandoFigura 18chiarisce che per tutte le ligniti, eccetto quella australiana, una temperatura di essiccazione di 60 °C è la più vantaggiosa, dal punto di vista dell'ottimizzazione energetica, poiché consente di ridurre al minimo il consumo energetico. La temperatura di essiccazione ottimale per la lignite australiana è chiaramente di 50 °C. Sembra importante notare che il consumo energetico specifico per la lignite rumena diminuisce ancora leggermente per temperature di essiccazione superiori a 60 °C. Tuttavia, la significatività è trascurabile, pertanto in quel caso si consiglia la temperatura di essiccazione più bassa possibile. La ragione di ciò non sarebbe direttamente collegata all'essiccatore stesso, ma piuttosto alla fonte di calore. Supponendo che l'essiccazione avvenga alla fonte della lignite, dove si trova anche la centrale elettrica, una delle possibili fonti di calore per l'aria riscaldata sarebbero i gas di combustione dopo il preriscaldatore dell'aria. Una temperatura inferiore dell'aria di essiccazione consentirebbe quindi un Δ più elevatoTper lo scambiatore di calore che preriscalda l'aria di essiccazione. Pertanto sarebbe necessaria una superficie di scambio termico più piccola, il che implica un costo inferiore di tale dispositivo. Inoltre, se si potesse raggiungere una temperatura inferiore al punto di rugiada dei gas di combustione, lo scambiatore di calore a condensazione consentirebbe di recuperare calore aggiuntivo dai gas di combustione.

Uno dei parametri più importanti è il consumo energetico per kg di umidità rimossa dal materiale. Il consumo energetico è molto importante in termini di economia del processo di essiccazione. Il suo valore dipenderà dalla disponibilità di calore per l'essiccazione e dalla possibilità di utilizzare il calore di scarto. Anche il tempo di residenza è importante, poiché determina le dimensioni dell'attrezzatura, che a sua volta ha una profonda influenza sul costo totale dell'essiccatore.

Non sembra esserci una regola empirica sul miglior tipo possibile di essiccatore che potrebbe essere scelto in caso di qualsiasi tipo di lignite. Nella scelta del tipo più adatto di essiccatore e nella successiva scelta dei parametri di processo ottimali, devono essere presi in c