DE10229521A1

DE10229521A1 - Verfahren zur Steuerung von Niedertemperaturtrocknung von Feuchtgut

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Publication number: DE10229521A1
Application number: DE10229521A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-01-29
Also published as: WO2004002905A1; AU2003249918A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Niedertemperaturtrocknung von Feuchtgut, insbesondere von Klärschlamm, unter Einsatz von Trocknungsluft und wenigstens einer Trocknungsstufe im Kaltluftbetrieb oder Umluftbetrieb, wobei im Kaltluftbetrieb als Trocknungsluft ausschließlich Außenluft und im Umluftbetrieb ein Gemisch aus Außenluft und Umluft verwandt wird, bei dem der Verlauf des Gesamtenergiebedarfs des Kaltluftbetriebs und des Umluftbetriebs in Abhängigkeit von der Temperatur der Außenluft bzw. Abluft, dem absoluten Grenzwassergehalt der Außenluft, dem Gesamtluftdruck der Außenluft, der Feuchtigkeit des Feuchtgutes und der Menge des Feuchtgutes hinsichtlich eines theoretischen Energiekostenaufwands kontinuierlich ausgerechnet wird und als Trocknungsprogramm gestartet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Niedertemperaturtrocknung von Feuchtgut, insbesondere von Klärschlamm, unter Einsatz von Trocknungsluft und wenigstens einer Trocknungsstufe im Kaltluftbetrieb und Umluftbetrieb, wobei im Kaltluftbetrieb als Trocknungsluft ausschließlich Außenluft und im Umluftbetrieb ein Gemisch aus Außenluft und Umluft verwandt wird.
Es sind verschiedene Verfahren zur Niedertemperaturtrocknung von Feuchtgütern bekannt. Es handelt sich bei den üblichen Verfahren um die Kaltlufttrocknung und die Umlufttrocknung.
Bei der sogenannten Kaltlufttrocknung wird Außenluft zur Entfeuchtung eingesetzt. Dabei wird das Feuchteaufnahmepotential der Außenluft ausgenutzt, so dass dieses Verfahren stark von den externen Witterungsbedingungen abhängt. Um ein ausreichendes Feuchteaufnahmepotential zur Verfügung zu stellen, muss ein großer Volumenstrom an Außenluft mit dem Feuchtgut in Kontakt gebracht werden. Bei schlechten klimatischen Bedingungen mit niedrigen Lufttemperaturen und/oder hohen Wasserdampf-Partialdrücken muß zusätzlich Energie eingesetzt werden, um die Außenluft zu erwärmen, damit der gewünschte Trocknungsgrad erreicht werden kann. Dies ist mit einem hohen Verbrauch an Primärenergie wie Erdgas, Heizöl, Biogas, Klärgas oder Flüssiggas verbunden. Bei einem kontinuierlichen und gleichmäßigen Betrieb der Trocknung über ein ganzes Jahr werden, trotz Einsparungen im Sommer mit trockener und warmer Luft, insgesamt hohe Durchschnitt-Energieverbrauchswerte erzielt.
Bei der einfachen Umlufttrocknung wird ein Teil der Trocknungsluft im Kreis geführt, welche nun als Umluft bezeichnet wird, wobei ein Teil der Umluft nach Verlassen des Trockners an die Umgebung abgeführt und durch Außenluft ersetzt wird. Diese gesamte Luftmenge wird erwärmt und anschließend wieder dem Trockner zugeführt. Die Umlufttrocknung hat den Vorteil witterungsunabhängig zu arbeiten. Der Nachteil liegt jedoch in dem größeren Bedarf an thermischer Energie, wenn bei geeigneter Witterung die Außenluft ausreichend Feuchteaufnahmepotential hätte.
Bei der Umlufttrocknung mit Kältemaschinen wird die Umluft des Trockners direkt oder indirekt abgekühlt, indem die Wärme der Umluft an den Verdampfer der Kältemaschine abgeführt wird. Dabei kondensiert das während des Trocknungsvorganges aufgenommene Wasser. Die nun abgekühlte Umluft wird anschließend durch die vom Kondensator der Kältemaschine abgegebene Wärme wieder erwärmt und dem Trockner zugeführt. Die Kältemaschine hat unabhängig vom Klima einen gleich bleibend hohen Bedarf an elektrischer Energie. Darüber hinaus erzeugt sie mehr Wärme im Kondensator, so dass mehr Wärme entsteht als zur Erwärmung der Umluft benötigt wird. Die überschüssige Wärme muß abgeführt werden.
Aus dem Stand der Technik ist ein Verfahren ( DE 196 54 093 ) bekannt, bei dem die Umlufttrocknung mit Kältemaschine und die Kaltlufttrocknung kombiniert wird. Somit kann im Kaltluftbetrieb ohne bzw. mit geringer Wärmezufuhr gearbeitet werden. Im Umluftbetrieb mit Zumischung von Außenluft kann die Kältemaschine so eingestellt werden, daß keine überschüssige Wärme erzeugt wird. Für die Trocknungsaufgabe ist es ausreichend, so viel Abluft zu entfeuchten, daß das Feuchteaufnahmepotential der Mischung aus Außenluft und Umluft nach Erwärmung am Kondensator ausreichend ist. Nachteile bei diesem Verfahren sind der im Verhältnis zur Wasserverdampfungsleistung relativ hohe apparative Aufwand und der Einsatz von elektrischer Energie.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung von Niedertemperaturtrocknung von Feuchtgut mittels Kaltluftbetrieb und/oder Umluftbetrieb bereitzustellen, mit dem es möglich ist, aufgrund der sich ändernden klimatischen Bedingungen und der ebenfalls sich ändernden Eigenschaft des Feuchtgutes eine automatische Optimierung des gesamten Energieverbrauchs zu erreichen, ohne dass große anlagentechnische Investitionen erforderlich sind und somit die elektrischen und thermischen Energie- sowie die Personalkosten zu reduzieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren der eingangs genannten Art vor, bei dem der Verlauf des Energiebedarfs des Kaltluftbetriebs und des Umluftbetriebs in Abhängigkeit von der Temperatur der Außenluft bzw. Abluft, dem absoluten Grenzwassergehalt der Außenluft, dem Gesamtluftdruck der Außenluft, der Feuchtigkeit des Feuchtgutes und der Menge des Feuchtgutes hinsichtlich eines theoretischen Energiekostenaufwands kontinuierlich ausgerechnet und als Trocknungsprogramm gestartet wird. Die variablen Faktoren (Außenluftbedingungen, Feuchtgut, etc.) werden mittels Messfühlern gemessen und bewacht.
Insbesondere bei kalter und/oder nasser Witterung ist eine Zusatzheizung mit elektrischer oder anderer Energie bei der Kaltlufttrocknung erforderlich, um die Trocknungsaufgabe zu erfüllen, so dass der Energieverbrauch bei diesen klimatischen Bedingungen besonders hoch ist. Bei heißer und trockener Witterung benötigt der Kaltluftbetrieb keine zusätzliche Erwärmung der Außenluft. Aus diesen Gründen weist der Verlauf des Energieverbrauchs beim Kaltluftbetrieb Hoch- und Tiefpunkte auf. Angesichts der ständigen Änderung der Außenluft für den Kaltluftbetrieb muss, um den Trocknungsgrad zu erreichen, ständig die Menge des Feuchtgutes, die Primärenergiezufuhr sowie die Menge des Luftstromes angepasst werden. Es bedarf hierzu einen hohen technischen Verstand beim Personal.
Dagegen ist der Energieverbrauch beim Umluftbetrieb annähernd gleich bleibend hoch, da er von der Außenluft mehr oder weniger abgekoppelt ist. Der Energiebedarfs-Verlauf liegt hierbei zwischen den Tief- und Hochwerten des Energieverbrauchs beim Kaltluftbetrieb.
Anhand der Energiebedarfskurven wird das jeweilige Trocknungsverfahren mit dem günstigsten Energieverbrauch automatisch ausgewählt, wobei zwischen Kaltluftbetrieb und Umluftbetrieb umgeschaltet wird. Kombinationen sind ebenfalls möglich.
Um den hohen Energieverbrauch beim Kaltluftbetrieb, insbesondere während der schlechten (kalten und feuchten) klimatischen Bedingungen, zu vermeiden, wird erfindungsgemäß die Trocknung automatisch auf den Umluftbetrieb umgeschaltet. Somit kann der teilweise hohe Energieverbrauch des Kaltluftbetriebes vermieden werden. Sobald die Außenbedingungen für den Kaltluftbetrieb optimal sind, wird automatisch wieder umgeschaltet. Als Außenluftbedingungen werden hier die Temperatur der Außenluft bzw. Abluft, der absolute Grenzwassergehalt der Außenluft, der Gesamtluftdruck der Außenluft verstanden.
Zweckmäßigerweise wird das Trocknungsprogramm selbsttätig korrigiert, sobald die aktuelle Außenbedingungen und Feuchtgutbedingungen sich verändern. Somit kann eine flexible Trocknungsablaufsteuerung mit rechnerischer Verfolgung des Kaltluftbetriebs und des Umluftbetriebs ermöglicht werden, was zur Energieoptimierung bei der Niedertemperaturtrocknung führt.
Vorteilhaft besteht die Trocknungsluft beim Umluftbetrieb aus Umluft und Außenluft, wobei die Abwärme der Umluft zur Erwärmung der zugeführten Außenluft genutzt wird. Durch Mischung der Umluft mit kalter Außenluft wird der Energieaufwand zur Abkühlen und Wiedererwärmung der Umluft reduziert.
Des weiteren wird im Umluftbetrieb die gesamte, durch den Trockner geführte Außenluftmenge reduziert und auf diejenige Menge eingestellt, die bei minimalem Verbrauch an elektrische Energie zur Förderung des Luftstromes sowie bei minimalem Verbrauch an Primärenergie bzw. Abwärme zur Erwärmung des Außen- bzw. des Umluftstromes notwendig ist.
Durch den Einsatz von mehreren getrennten gutseitig hintereinander geschalteten Trocknungsstufen wird die Abwärme der Abluft aus der einen Stufe zur Erwärmung der Außenluft und/oder Umluft der anderen Stufe genutzt. Somit wird die Primärenergie reduziert. Auch eine teilweise Benutzung der Abwärme der einen Stufe zur Vorwärmung der anderen Stufe ist denkbar.
Zur Übertragung der Abwärme aus der einen Stufe auf eine andere wird eine indirekte Wärmeübertragung, insbesondere Wärmetauscher, herangezogen. Auch die Nutzung von Sprühkondensatoren mit direkten Wärmeaustauschsystemen auf der warmen und indirekter Austausch auf der kalten Seite ist denkbar.
Bei einem Durchströmungstrockner ist die maximale Trocknungsluftmenge durch die Fluidisierungsgeschwindigkeit des zu trocknenden Gutes begrenzt.
Zur Erläuterung der Erfindung werden nachstehend grafische Darstellungen herangezogen. Es zeigen:
1 eine schematische, grafische Darstellung der Energiebedarfskurven im Kaltluftbetrieb und Umluftbetrieb;
2 eine grafische Darstellung der optimierten, idealen Energiebedarfskurve gemäß der Erfindung.
1 zeigt eine schematische, grafische Darstellung bei der Trocknung von Feuchtgut mittels Kaltluftbetrieb und Umluftbetrieb von mehreren Tagen. Die X-Achse zeigt hierbei einen groben Zeitverlauf t, wobei nur schematisch der Nacht (N)- und Tag(T)-Rhythmus der Trocknung angedeutet wird. Die Y-Achse zeigt den Energiebedarf an. Die Energiekurven werden mit den Faktoren, die im Hauptanspruch und in der Beschreibung aufgeführt sind, errechnet. Die dargestellen Kurven sind idealisiert mit der Konstellation, daß am Tag eine trockene und warme Außenluft und in der Nacht eine kalte und feuchte Außenluft herrscht. In der Realität sind die Kurven in der Regel unregelmäßiger.
Ersichtlich ist hierbei die Kurve 1 im Kaltluftbetrieb mit Hoch- und Tiefwerten, wobei die hohen Energiebedarfswerte während der Nacht resultieren und die tiefen Werte während des Tages, da die Außenluft üblicherweise sich in der Nacht abkühlen und während des Tages wieder erwärmen. Während der Nacht muss daher Primärenergie zugeführt werden. Die Schwankungen kommen somit durch die Veränderung der Außenbedingungen zustande.
Die Kurve 2 des Energiebedarfs des Umluftbetriebes zeigt dagegen einen annähernd gleich bleibenden relativ hohen Energieverbrauch an, relativ unabhängig von den Außenbedingungen. Durch rechnerische Verfolgung des Kaltluftbetriebes und des Umluftbetriebes werden die Umschaltmodi 3 ermittelt. Diese sind Idealerweise dort, wo sich die beiden Kurven 1, 2 sich treffen.
2 zeigt die optimierte, ideale Energieverbrauchskurve mittels der erfindungsgemäßen Verfahrenssteuerung. Dabei sind die hohen Energieverbrauchswerte des Kaltluftbetriebes durch den Energieverbrauch des Umluftbetriebs ersetzt, der im Vergleich dazu kleiner ist, so daß insgesamt der Energieverbrauch reduziert wird.
Parallel zu dieser Maßnahme zur Einsparung der thermischen Energie werden die Luftvolumenströme in jedem Betriebszustand soweit angepasst/reduziert, dass immer nur der maximal notwendige Volumenstrom zur Förderung des zu verdampfenden Wassers gefördert wird.
Im Kaltluftbetrieb wird die Gesamtluftmenge reduziert. Im Umluftbetrieb wird die Frischluftmenge angepasst und mittels des Trockners auf das notwendige Maß reduziert, um einerseits ausreichend Wärme zurückzuführen und andererseits ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit zu erhalten, so dass die Stoffaustauschvorgänge unterstützt werden. Das notwendige Maß bezieht sich auf das zu trocknende Gut und die Trocknungsaufgabe (Menge, Eingangs-, Gutstoffgehalt, Ausgangsfeststoffgehalt).
Durch die Steuerung des Kalt-/Umluftbetriebs wird der Verbrauch an thermischer Energie und der Verbrauch an elektrischer Energie minimiert, so dass das Verfahren energetisch optimiert betrieben werden kann.

Claims

Verfahren zur Steuerung von Niedertemperaturtrocknung von Feuchtgut, insbesondere von Klärschlamm, unter Einsatz von Trocknungsluft und wenigstens einer Trocknungsstufe im Kaltluftbetrieb oder Umluftbetrieb, wobei im Kaltluftbetrieb als Trocknungsluft ausschließlich Außenluft und im Umluftbetrieb ein Gemisch aus Außenluft und Umluft verwandt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Gesamtenergiebedarfs des Kaltluftbetriebs und des Umluftbetriebs in Abhängigkeit von der Temperatur der Außenluft bzw. Abluft, dem absoluten Grenzwassergehalt der Außenluft, dem Gesamtluftdruck der Außenluft, der Feuchtigkeit des Feuchtgutes und der Menge des Feuchtgutes hinsichtlich eines theoretischen Energiekostenaufwands kontinuierlich ausgerechnet wird und als Trocknungsprogramm gestartet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Energiebedartskurven das jeweilige Trocknungsverfahren mit dem günstigsten Energieverbrauch automatisch ausgewählt wird, wobei zwischen Kaltluftbetrieb und Umluftbetrieb umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trocknungsprogramm selbsttätig korrigiert wird, sobald die aktuelle Außenluftbedingungen und Feuchtgutbedingungen sich verändern.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umluftbetrieb die Trocknungsluft aus Umluft und Außenluft besteht, wobei die Abwärme der Abluft zur Erwärmung der zugeführten Außenluft genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beim Umluftbetrieb die Summe aus Außen- und Umluft und die zuzuführenden Wärmeenergie in Abhängigkeit von der Art und Form des Trocknungsgutes minimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenluftmenge im Kaltluftbetrieb in Abhängigkeit des Außenluftzustandes, wie insbesondere Temperatur und Feuchte, minimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenluft im Kaltluftbetrieb größer ist als die Summe aus Außen- und Umluft im Umluftbetrieb.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren getrennten, gutseitig hintereinander geschalteten Trocknungsstufen die Abwärme der Abluft aus der einen Stufe zur Erwärmung der Außenluft und/oder Umluft der anderen Stufe genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren getrennten, gutseitig hintereinander geschalteten Trocknungsstufen die Abwärme der einen Stufe zumindest teilweise zur Vorwärmung der anderen Stufe genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Abwärme einer Stufe auf eine andere mittels direkter Wärmeübertragungssysteme, bevorzugt mittels Gas-Gas-Wärmetauschern, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Abwärme einer Stufe auf eine andere mittels indirekter Wärmeübertragungssysteme, bevorzugt mittels Wärmepumpe, Wärmetauschern mithilfe von Wasser- oder Thermoölkreislauf oder Sprühkondensation, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Durchströmungstrockner die maximale Trocknungsluftmenge durch die Fluidisierungsgeschwindigkeit des zu trocknenden Gutes begrenzt ist.