EEN-E3003, Industrial drying and evaporation processes Calculation exercise 4, Spring 2017 Laskuharjoitus 4, Kevät 2017

Transkriptio

1 EEN-E3003, Industrial drying and evaporation proesses Calulation exerise 4, Spring 017 Laskuharjoitus 4, Kevät 017 *Problem is the star problem *Tehtävä on tähtitehtävä, Problem 1. A drum drier is used to dry hips for making pellet. 7.tds of hips are dried per hours from the initial moisture ontent of 1.kg/kgds to the final moisture ontent of 0.1kg/kgds. The initial temperature of the hips is 10 o C and after the drying 70 o C. The temperature of the ombustion gasses before and after the drier is 50 o C and 75 o C, respetively. Heat losses of the dryer depend on the vaporization rate via Floss 40mv [kw], where mv is the vaporization rate [kg/s]. The average speifi heat apaity of water vapor is 1.9kJ/kg o C, when the temperature is 0-50 o C and 1.86kJ/kg o C, when the temperature is 0-75 o C. The speifi heat apaity for the dry solid in the hips is 1.3kJ/kg o C, for water 4.19kJ/kg o C, and for flue gases we an assume it to be 1.kJ/kg o C. Fig. 1 shows other values required in the alulations. A) What is the fuel ost of the dryer per dried tds ( /tds) when the ost of natural gas is 3 /MWh. Lower heating value of the natural gas is 50MJ/kg? B) The natural gas boiler is equipped with a ombustion air preheater, where the air is preheated to 60 o C using the exhaust gas of the dryer. What is the paybak period of the investment when the preheater osts and the dryer is operated 3000 hour per year? Figure 1: Flow hart of the dryer Solution Let us use the following subsripts: a, ombustion air g,dry dry ombustion gas

2 g,wet wet ombustion gas, hips v, vapor w, water da, dry air ng, natural gas In the ase of the dryer, the zero point of the enthalpy of dry air is 0 o C air and the zero point of enthalpy of water is 0 o C water. A) The mass flow of the hips 700/3600 kgds/s Let us assume that there is no ondensate from the ombustion gasses. Then the moisture ontent of the ombustion gas after the dryer is x g,out ( u - u ) ( ) m & - in out xg,in /mg,dry g,dry g,dry The energy balane of the drying hamber is Ein Eout m & h + h h + h + Φ, g, dry g,in,in g, dry g,out,out loss where hg,in pgtg,in+ xg,in(pvtg,in + 501) ( ) 36.6kJ/kg hg,out pgtg,out + xg,out(pvtg,in + 501) xg,out( ) 90 + ( /mg,dry) h,in (p +uinpw)tin, ( ) kJ/kg h,out (p +uoutpw)tout, ( ) 16.0kJ/kg ( u - u ) 40 ( ) Φloss 0.4 v 0.4 in out kW Substituting the expression for the moisture ontent of the outgoing ombustion gas, the above enthales, and the heat loss of the dryer into the energy balane equation. Then we an solve for the mass flow of the dry ombustion gas.16 g, dry g,dry Ł Ł g,dry ł ł

3 g, dry kg/s The mass flow rate of the natural gas is be obtained from the energy and mass balane of the ombustion hamber m & a +, ( 1+ x ) ( ) 9.3 ng g,wet g, wet g,in g, dry + ( t - 5) + q ( t 5) apa a ng g,wet pg g kg/s ng g, wet 0.164kg/s Fuel osts pg ( t - )- ( t - 5) g 5 g, q - pa ( t - 5) a wet pa a ( 50-5) ( 0-5) ( 0-5) osts 0.164kg/s 50MJ/kg 7.t /h ds 3 /MWh 6. /thips B) Let us solve the natural gas onsumption when the temperature of the ombustion air is 60 o C ng g, wet 0.140kg/s pg ( t - 5) - ( t - 5) g q - pa ( t - 5) a g, wet The savings from the natural gas pa a ( 50-5) ( 60-5) ( 60-5) savings ( )kg/s 50MJ/kg 3000h 3 /MWh /a Paybak period /81443 /a 0.6 years Problem *. Bark and peat is ombusted simultaneously in a fluidized-bed boiler. The moisture ontent of the bark is 54%-w.b. and the lower heating value of the dry solid is 18.7MJ/kg. The moisture ontent of the peat is 50%-w.b. and the lower heating value of the dry solid is 19.3MJ/kg. The mass flow rate of the bark into the boiler is 4.5kgds/s and of the peat it is 3.8kgds/s. The bark is dried to a final moisture ontent of 35%-w.b. using a belt dryer whih uses waste heat as a heat soure. The boiler and the dryer are both operated 8100 hours per year. The heat-to-power ratio of the power plant is 0.6, the boiler effiieny when using moist fuel is 0.86, and the temperature of the outgoing flue gases is 140 o C. A) What is the power and heat generation of the power plant?

4 B) How muh (tds) does the peat onsumption of the power plant redue per year as a result of drying, if you assume that the boiler effiieny remains the same for dry fuel as it is for the wet one? C) How muh (tds) does the peat onsumption of the power plant redue per year as a result of drying if you assume that the temperature of the outgoing flue gas is the same for dry fuel as it is for the wet one? The radiation losses and air demand are assumed to remain onstant. The average p of ombustion gasses between o C is 1.3kJ/kgK. D) What are the annual savings on part b) when the ost of peat is 9 /MWh, the ost of arbon dioxide per ton is 3 /t, and the prie of eletriity is 45 /MWh? The eletriity onsumption of the dryer is 500kW and the emission fator of peat is kgCO/GJLHV. There is no additional ost for using the seondary heat. Problem 3. A mill is planning to modify an old onveyor for drying of forest residues. The length of the onveyor is 19m and the width 3.5m. 4.0tds/h of forest residue is supposed to be dried from an initial moisture ontent of 60%-w.b. to at least a final moisture ontent of 30%-w.b. The bulk density of the dry forest residue is 160kg/m 3 -i. For drying you an utilize the following heat soures: Water flow 1: Water flow : Saturated steam 1: Saturated steam : Availability 80kg/s, temperature 60 o C Availability 30kg/s, temperature 70 o C water Availability 1.3kg/s, pressure 1bar Availability 1.6kg/s, pressure bar Fig. 1 shows drying urves for forest residue with different drying air temperatures. Curves in Fig. 1 have been measured using a bath type fixed-bed dryer. Outdoor air is used as a drying gas and the temperature of the outdoor air before heating is 10 o C. The humidity of the air is approximately the same as in the measurements when drying urves in Fig. 1 have been measured. Whih of the available heat soures are suitable for drying?

5 Figure 1: Drying urves of forest residue with different drying air temperatures tdb. Solution Moisture ontents reported on dry basis u 0.6 in 1-1.5kg/kgds 0.6 u 0.3 out kg/kgds 0.3 Assuming that the height of the bed is 0.m (see Fig. 1), we an estimate the residene time of the forest residue partiles in the dryer using the design equation of the onveyor τ ρdszwl L > τ ρ ZW ds ds ds s We an see from Fig. 1, that at 90 o C forest residue partiles dry at least to a final moisture ontent of 30%-w.b. (0.43kg/kgds). At 70 o C the forest residue only dries approximately to a moisture ontent of 0.55kg/kgds, whih is higher than the desired final moisture ontent (30%-w.b). Due to the too low temperature, water flows 1 and annot be used as heat soures for the dryer.

6 Let us now hek if the available steams an be used for the drying. On the basis of Fig.1, the desired final moisture ontent is ahieved when the drying air temperature is 90 o C > the inlet temperature of the air into the dryer is 90 o C. At 90 o C, the density of the dry air is approx. 0.96kg/m 3. > The mass flow rate of the drying air is m & da WLvρ da kg/s The latent heats of the steams lv(1bar) 58kJ/kg lv(bar) 0kJ/kg The mass flow rates of air that ould be heated with the available steams are 1bar bar da da pda pda l s v ( t - t ) 1.0 ( 90-10) l s v ( t - t ) 1.0 ( 90-10) kg/s < 41.5kg/s > annot be used. 44.0kg/s > 41.5kg/s > an be used. > only the saturated steam at bar is suitable heat soure for drying. In pratie, 1bar steam ould also be used for drying if the drying air was preheated with either one of the available water flows. It would also be possible to redue the steam onsumption of the dryer by using heat reovery for the outlet air. With heat reovery unit, it is probable that the steam at 1bar ould be used for drying, too.

7 Tehtävä 1. Rumpukuivuria käytetään puuhakkeen kuivaamiseen pellettien valmistusta varten. Haketta kuivattaan 7, kuiva-ainetonnia tunnissa alkukosteudesta 1,kg/kgka loppukosteuteen 0,1kg/kgka. Hakkeen lämpötila ennen kuivausta on 10 o C ja kuivauksen jälkeen 70 o C. Savukaasujen lämpötila kuivurin jälkeen on 75 o C ja kuivurin lämpöhäviöt riippuvat haihtumisnopeudesta seuraavasti Fhäv 40me [kw], missä me on haihtumisnopeus [kg/s]. Vesihöyryn keskimääräinen ominaislämpökapasiteetti lämpötilavälillä 0-50 o C on n.1,9kj/kg o C ja lämpötilavälillä 0-75 o C n. 1,86kJ/kg o C. Hakkeen kuiva-aineen ominaislämpökapasiteetti on 1,3kJ/kg o C, veden 4,19kJ/kg o C ja savukaasujen ominaislämpönä voidaan myös kuivurissa käyttää arvo 1,kJ/kg o C. Katso muut lähtöarvot kuvasta 1. A) Mitkä ovat kuivurin polttoainekustannukset kuivattua haketonnia kohti ( /tka), kun maakaasun hinta on 3 /MWh ja lämpöarvo 50MJ/kg? B) Maakaasukattila varustetaan palamisilman esilämmittimellä, jossa ilma esilämmitetään kuivurin poistokaasulla 60 o C:een. Mikä on investoinnin takaisinmaksuaika, kun esilämmitin maksaa ja kuivurin käyttötunnit ovat 3000 tuntia vuodessa? Savukaasu 75 o C, x? Palamisilma 0 o C, 0,01kg/kg ki Maakaasu Palokammio Savukaasu 50 o C, 0,01kg/kg ki Materiaali, out Rumpukuivuri Materiaali, in Kuva1. Savukaasukuivurin virtauskaavio Ratkaisu A) Kuivurin tapauksessa kuivan ilman entalan nollaste on 0 o C:nen ilma ja veden entalan nollaste 0 o C:nen vesi. Otetaan käyttöön seuraavat alaindeksit: sk,dry kuiva savukaasu, sk,wet kostea savukaasu, h puuhake, v höyry (vapour), w vesi (water), in sisääntulo, out ulostulo, i kuiva ilma, k maakaasu Hakkeen massavirta mh 700/3600 kgka/s Oletetaan, että savukaasuista ei lauhdu kosteutta, jolloin savukaasun kosteudeksi kuivurin jälkeen saadaan: x sk, out ( u - u ) ( 1, 01, ) m & - h in out x sk, in + 0, 01+ 0,01 +,16/msk,dry sk, dry sk, dry

8 Kuivauskammion energiatase Ein Eout + F, sk dryh sk in + hi h in sk dryh sk out +,,,,, hi h, out häv missä hsk,in psktsk,in+ xsk,in(pvtsk, in + 501) 1, ,01 (1, ) 36,6kJ/kg hsk,out psktsk,out + xsk,out(pvtsk,in + 501) 1, 75 + xsk,out(1, ) 90 + (0,01 +,16/msk,dry) 640,5 ih,in (ph +uinpw)tin, h (1,3 + 1, 4,19) 10 63,8kJ/kg ih,out (ph +uoutpw)tout, h (1,3 + 0,1 4,19) 16,0kJ/kg ( u - u ) 40 ( 1, 01) F häv 0, 4 e 0, 4 h in out -, 518,4kW Sijoitetaan savukaasujen ulostulokosteuden lauseke sekä lasketut entalat ja kuivurin lämpöhäviö kuivurin energiataseeseen, jolloin siitä saadaan ratkaistua kuivan savukaasun massavirta sk, 16, dry 36, , 8 sk, dry , , , 0 + Ł Ł sk, dry ł ł 6347, 936 9,3kg/s 1715 sk, dry, Maakaasun massavirta saadaan palamisen energia- ja massataseesta: & & m i mk msk, wet & & +, m ( 1+ x ) m ( 1 0, 01) 9 3 & ( t 5) + q ( t 5) i i - k sk, wet psk sk - sk, wet sk, in sk, dry +, 518, 4 9,85kg/s k sk 0,164kg/s ( t sk - 5) - msk, wet ( t i - 5) q - ( t - 5) &, wet psk i 9, 85 1, ( 50-5) - 9, 85 10, ( 0-5) , ( 0-5) Polttoainekustannukset

9 0164kg, / s kust. 50MJ / kg 7, t h ka / 3 / MWh 6, /thake B) Ratkaistaan maakaasun kulutus tapauksessa, jossa ilman lämpötila on 60 o C k sk 0,140kg/s ( t sk - 5) - msk, wet ( t i - 5) q - ( t - 5) &, wet psk i 9, 85 1, ( 50-5) - 9, 85 10, ( 60-5) , ( 60-5) Säästöt maakaasun käytön vähenemisestä vuodessa Säästö (0,164-0,140)kg/s 50MJ/kg 3000h 3 /MWh /a Takaisinmaksuaika /81443 /a 0,6vuotta Tehtävä *. Leijukerroskattilassa poltetaan rinnakkain kuorta ja turvetta. Kuoren kosteus on 54% ja kuiva-aineen tehollinen eli alem lämpöarvo 18,7 MJ/kg. Turpeen kosteus on 50% ja kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo 19,3MJ/kg. Kosteaa kuorta poltettaessa kuoren massavirta kattilaan on 4,5kgka/s ja turpeen 3,8kgka/s. Kattilan yhteyteen rakennetaan tehtaan sekundäärilämmöllä toimiva kuivuri, jossa kuori kuivataan loppukosteuteen 35%. Kattilan ja kuivurin käyttötunnit ovat 8100 tuntia vuodessa. Voimalaitoksen rakennusaste on 0,6, kattilahyötysuhde kosteaa polttoainetta poltettaessa 0,86 ja savukaasujen ulostulolämpötila 140 o C. Kaikki kosteudet on ilmoitettu kokonaismassaa kohti. Määritä lähtötietojen perusteella seuraavat asiat A) Voimalaitoksen sähkön- ja lämmöntuotanto. B) Kuinka monta kuiva-ainetonnia turpeen kulutus vähenee vuodessa kuivauksen seurauksena, jos kattilahyötysuhteen oletetaan pysyvän samana kuin kosteaa kuorta poltettaessa. C) Kuinka monta kuiva-ainetonnia turpeen kulutusta vähenee vuodessa kuivauksen seurauksena, jos savukaasujen ulostulolämpötila on sama kuin kosteaa kuorta poltettaessa. Säteilyhäviön ja ilmakertoimen oletetaan pysyvän muuttumattomina ja savukaasujen keskimääräinen p lämpötilavälillä o C on 1,3 kj/kgk. D) Mitkä ovat kuivauksen vuotuiset säästöt B-kohdassa, kun turpeen hinta saapumistilassa on 9 /MWh, hiilidioksiditonnin hinta 3 /t ja sähkön hinta 45 /MWh? Sekundäärilämmön käytöstä ei aiheudu kustannuksia ja kuivurin sähkönkulutus on 500 kw. Turpeen päästökerroin on 105,89kgCO/GJLHV. Tehtävä 3. Tehtaalla suunnitellaan vanhan kuljetinratkaisun modifiointia metsähakkeen kuivaukseen. Kuljettimen tuus on 19m ja leveys 3,5m. Metsähaketta on tarkoitus kuivata 4,0tka/h alkukosteudesta 60% vähintään loppukosteuteen 30% (kosteudet kostea massaa kohti). Metsähakkeen kuiva-aineen irtotiheys on 160kg/m 3 -i. Kuivaukseen on käytettävissä 60 o C vettä 80kg/s, 70 o C vettä 30kg/s, 1 bar:in kylläistä höyryä 1,3kg/s ja

10 bar:in kylläistä höyryä 1,6 kg/s. Metsähakkeelle on mitattu eräperiaatteella toimivassa kiintopetikuivurissa kuvan 1 kuivumiskäyrät erilaisilla ilman sisääntulolämpötiloilla. Kuivaukseen käytetään ulkoilmaa, jonka lämpötila ennen lämmitystä on 10 o C ja kosteus suurin irtein sama kuin kuvan 1 kuivumiskäyrien tapauksessa. Mitkä edellä mainituista lämmönlähteistä sovat kuivurin lämmönlähteeksi? Kuva 1. Metsähakkeen kuivumiskäyrät eri ilman sisääntulolämpötiloilla tdb Ratkaisu: Muutetaan kosteudet kosteussuhteiksi u 0,6 in 1-1,5 kg/kgka 0,6 u 0,3 out 1-0,43 kg/kgka 0,3 Lasketaan kuljetinkuivurin mitoitusyhtälön avulla hakkeen viipymäaika kuivurissa käyttämällä hakepedin korkeutena arvoa 0,m (ks. kuva 1):

11 ka τ L ρ ZW ka ρ ka ZWL 160 > τ ka 0, 3, s Hakkeen viipymäaika kuivurissa saa olla on n s. Kuvasta 1 nähdään, että lämpötilalla 90 o C hake ehtii vielä kuivua vähintään loppukosteuteen 30% (0,43kg/kgka). Lämpötilalla 70 o C hakea ehtii kuivua ainoastaan n. loppukosteussuhteeseen 0,55 kg/kgka. Liian alhaisen kuivauslämpötilan vuoksi vesiä ei voida käyttää kuivurin lämmönlähteenä. Tarkistetaan seuraavaksi, riittääkö saatavilla oleva höyrymäärä lämmittämään kuivausilman massavirran. Kuvan 1 perusteella vähintään 90 o C ilma riittää kuivaamaan hakkeen alle 30%:n, joten käytetään sitä kuivausilman lämpötilana. Ilman tiheys lämpötilassa 90 o C on n. 0,96kg/m 3. Kuivausilman massavirta: Höyryjen lauhtumislämmöt m & WLvρ 3,5 19 0, ,5kg/s ki ki lv(1bar) 58 kj/kg lv(bar) 0 kj/kg Ilman massavirrat, jotka saadaan höyryillä lämmitettyä: 1bar bar ki ki h l 1,3 58 ( t - t ) 1,0 ( 90-10) h l v 1 1,6 0 ( t - t ) 1,0 ( 90-10) v 1 36,7kg/s < 41,5 kg/s, eli ei käy 44,0kg/s > 41,5, eli soi. Lämmönlähteistä ainoastaan bar:in höyryä voidaan käyttää kuivaukseen. Käytännössä myös 1 bar:in höyryä voitaisiin käyttää kuivaukseen esim. esilämmittämällä se jommallakummalla vedellä ja johtamalla se sen jälkeen höyrylämmönvaihtimeen. Myös kuivurin poistoilman lämmöntaltenotolla voitaisiin mahdollisesti enentää höyrynkulutusta sen verran, että lämmitys onnistuisi 1 bar:in höyryllä.