Термическое обезвреживание пивной дробины

1. Характеристика пивной дробины.

При производстве пива образуются отходы, которые должны быть удалены или утилизированы. Основная часть этих отходов состоит из дробленого солода, пыли, шелухи, промывных вод, остаточных пивных дрожжей, а так же и других отходов. Но, не смотря на такое количество названных отходов, основная масса это пивная дробина, которая составляет от восьмидесяти двух до восьмидесяти семи процентов[1].

Пивная дробина представляет собой гущу светлого желто-коричневого цвета со специфическим запахом и вкусом. Согласно ГОСТ-92 дробина может содержать не более 88% воды. После стекания свободной влаги ее влажность снижается до 75%. В дробине содержатся оболочки зерна, частицы ядер зерна, безазотистые экстрактивные вещества, жир и белок, входящие в соста зерна.

В 1 кг свежей пивной дробины содержится в среднем, % :

-сухих веществ 20-24; 

-из них белков 5,3-7,1;

-клетчатки 3,5-4,0;

-жира 1,5-1,8;

-безазотистых экстрактивных 8,7-11,6.

Питательная ценность 1 кг пивной дробины  составляет 0,17-0,23 к.е., причем в ней содержится перевариваемого протеина 3,9-4,2%.

Считается, что в среднем пивной дробины в год образуется 18,8 Кг/гл товарного пива[2].

При использовании влажной пивной дробины возникает ряд проблем, главные из которых - ее низкая стойкость  при хранении и трудности при перевозке. При температуре 15...30 °С дробина быстро портится, вследствие чего срок ее хранения составляет      24-74ч. 
Для успешного хранения пивной дробины достаточно выровненной площадки и нескольких тюков соломы. Для более продолжитель-ного хранения устраивают простой бункер из железнодорожных шпал[3].

 Основные направления использования пивной дробины:

- производство кормов и продуктов питания;

- производство ксилита;

- использование в хлебопекарной промышленности в качестве 

   ценных питательных добавок;                                

- получение этилового спирта, а попутно - активированный уголь,

   углекислоту в виде сухого  льда, энтеросорбенты медицинского  и

   ветеринарного назначения, топливные брикеты, волокнистые

   плиты,кислород, водород, фурановые  смолы; 

- получение глюкозы, глутаминовой кислоты, глутамата натрия,

  аминокислот, липидов, углеводов  и т.п.;

- в качестве органического удобрения и мелиоранта;

  - применение при производстве обычных и силикатных кирпичей

    для увеличения их  пористости и в производстве  бумаги;

- производство косметических препаратов;

- использование пивной дробины  в качестве источника энергии

   путем ее газификации, переработки на спирт, непосредственного

    сжигания [4].

 

1.2. Сжигание биомассы.

Простейшим методом  получения полезной энергии из сухой  биомассы является ее сжигание на воздухе.                                                    Если количество кислорода недостаточно для полного окисления горючего материала, тогда происходит образование углерода, оксида углерода, углеводородов и других газов, а теплота реакции снижается. Азот и другие элементы, присутствующие в биомассе, превращаются в газообразные продукты и золу. Присутствие воды в биомассе не снижает термодинамического выхода тепла, однако практическая эффективность реакции снижается вследствие необходимости нагрева воды и ее испарения при температуре сжигания. Вода также снижает температуру пламени и скорость сжигания. Содержание воды более 30 % не дает возможности прямого сжигания биомассы, поэтому материал должен быть высушен или же к нему следует добавить топливо. Однако использование печей с псевдосжиженным слоем материала позволяет проводить сжигание при содержании воды до 55 %. Были предложены регенеративные печи, повторно использующие тепло испарившейся воды и газообразных продуктов сгорания. Сжигание в соответствующих камерах сгорания может явиться одним из наиболее эффективных методов использования энергетического потенциала биомассы. В печах прямого нагрева и паровых котлах использование тепла составляет 85 %, однако многие установки на практике являются значительно менее эффективными.

Самый простой метод  сжигания биомассы — это сжигание на открытом огне. В этих случаях эффективность сжигания очень низка. При сжигании топлива в традиционных печах отношение выделившейся энергии, к энергии подведенной может быть менее 10% . В последние годы были сконструированы эффективные дровяные печи и бойлеры. Значительная потеря тепла в простых топках происходит из-за чрезмерной тяги в дымоходе; простое ограждение для огня и ограничение тяги повышают эффективность сгорания до 25 %. В настоящее время имеются значительно более эффективные дровяные печи; комната, где установлена такая печь, получает до 70 % энергии сгорания топлива или в результате излучения, или в результате конвекции. Однако средняя эффективность дровяных печей составляет все еще около 50 %. Была разработана система центрального отопления с использованием дров в качестве топлива, дающая до 0,4 ГДж/ч. Основным недостатком многих систем является трудность обеспечения автоматической подачи топлива и необходимость постоянного внимания со стороны пользователей. В целях частичного решения проблемы были созданы системы, предназначенные для использования многих видов топлива; при желании работа в автоматическом режиме достигается путем переключения на ископаемые виды топлива.                                     Основной проблемой небольших систем сжигания биомассы является накопление агрессивных масел и смол в более холодных частях дымохода. Эти скопления необходимо периодически удалять; дымоход можно очищать также путем пропускания через него горячих газов (однако наряду с удалением нежелательных соединений теряется и. полезное тепло) [5].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3. Виды печей для сжигания отходов.

Сжигание отходов - довольно популярный метод их переработки  и обезвреживания. Сжигание отходов  неверно называть их утилизацией, так  как это не является их "полезным использованием". Однако метод эффективен, существенно уменьшает объём отходов и может применяться, когда объём образования отходов невелик, отсутствуют условия для их складирования и сооружения по переработке отходов. Особенно он хорош для таких видов отходов, как медицинские и биологические. Также он применяется для переработки твёрдых бытовых отходов и осадков сточных вод [6].                                                                            Для сжигания отходов могут использоваться следующие виды печей: кипящего слоя, многоподовые, барабанные циклонные и распылительные.

Печи кипящего слоя представляют собой футерованный цилиндр с воздухораспределительной решёткой. На решётку насыпается слой агента, создающего псевдоожиженный (кипящий) слой, обычно это песок. При продувании газов (воздуха или воздуха обогащённого кислородом) через воздухораспределительную решётку и слой агента образуется псевдоожиженный слой. Горение нагревает агент, который интенсивно перемешивается с сжигаемыми отходами, улучшая горение.

Недостатки печей со сжиганием в псевдоожиженном слое: неравномерность распределения частиц в слое, необходимость мощных пылеулавливающих устройств.

Отходы, перед подачей  в печь псевдоожиженного слоя, должны быть измельчены.

Многоподовые печи представляют собой футерованный цилиндр диаметром 6-8 м. Топочное пространство печи разделено горизонтальными площадками с отверстиями - подами. По оси печи расположен полый вращающийся вал с радиально закреплёнными гребковыми устройствами (лопатками). Отходы подаются в верхнуюю камеру печи и они падают через отверстия в подах, подталкиваемые лопатками. В верхних подах отходы подсушиваются, а ниже - сгорают.                                                  Подовые печи отличаются простотой обслуживания и устойчивостью работы при колебаниях количества и качества обрабатываемых отходов, небольшим уносом пыли.

Недостатки подовых  печей: низкие удельные тепловые нагрузки, наличие вращающихся элементов  в зоне высоких температур, высокие  капитальные и эксплуатационные затраты.

Барабанные печи представляют собой вращающийся наклонный барабан с выносной топкой. Отходы загружаются с противоположного от топки конца барабана и сжигают.

Достоинством барабанных печей является малое содержание пыли в отходящих газах, возможность  сжигать отходы с большой зольностью и влажностью.

Недостатки барабанных печей: низкая удельная тепловая и массовая нагрузка топочного объёма, разрушение футеровки в процессе работы, высокие  капитальные и эксплуатационные затраты

Циклонные и распределительные печи применяют для сжигания в распылённом состоянии жидких или мелкодисперсных твёрдых отходов. Эти печи не получили широкого распространения.

Недостатки распылительных печей: низкая производительность, сложность в эксплуатации, высокие капитальные затраты [7].         Учитывая современные требования к качеству атмосферного воздуха, даже печи для сжигания отходов снабжаются системами очистки отходящих газов и подавления образования диоксинов. Обычно эти системы состоят из камеры дожигания отходящих газов, в которых продукты сгорания пребывают в течение 1-2 с при температуре 900-1200°С [6].                                                                      Наиболее близким техническим решение является "Топка для сжигания твердых бытовых отходов с углем" по авт.св. №2125206, 6 F 23 G 5/00, содержащая систему подачи отходов и угля, колосниковые решетки, систему подачи воздуха, механизм удаления шлака, питатель подачи угля на слой отходов с течкой и заслонкой, предтопком с подачей угля под слой отходов, соединенным с питателем подачи угля на слой отходов с возможностью их работы и (или) последовательно посредством установленных в соответствующих точках заслонок, управляемых датчиком температуры, размещенным на выходе топки, и механизм удаления золы.

Недостатком является неполнота сгорания угля и отходов, характерная для любых тепловых устройств со слоевым сжиганием топлива, в результате которого, как показывает практика, со шлаком отходят от 15 до 30% несгоревшей органической субстанции топлива, в данном случае отходов и угля. В результате снижается энергетическая эффективность топки и увеличивается выброс вредных веществ.                                                                                      Задачей предлагаемого технического решения является повышение полноты сгорания отходов с углем, обеспечивающее более высокую энергетическую эффективность процесса и его экологическую безопасность.                                                                                       Задача решается тем, что установка для сжигания отходов с углем, включающая систему подачи отходов и угля, систему подачи воздуха, механизм удаления шлака, питатель подачи угля, дополнительно включает систему подачи угля и воздуха, смонтированные к пиролизной камере, представляющей собой горизонтальный канал таким образом, что обеспечивают факельное сжигание измельченного до порошка угля, а система подачи отходов смонтирована таким образом, что обеспечивает вбрасывание отходов в факел, механизм удаления шлака расположен в нижней части вертикальной циклонной камеры окислительного дожига пиролизного газа - смеси продуктов сгорания угля и термического распада отходов, снабженной системой подачи вторичного воздуха и сообщенной с последовательно расположенной камерой каталитического дожига, работающей по принципу беспламенной горелки, для полного окисления остаточных углеродов, и камерой осаждения золы для отделения тонкодисперсной минеральной части продуктов сгорания от газовой.

На фиг.1 изображен продольный разрез А-А установки.

На фиг.2 изображен разрез Б-Б  в плане.

Установка для сжигания отходов с углем состоит из пиролизной камеры 1, циклонной камеры окислительного дожига 2, камеры каталитического дожига 3, камеры осаждения золы 4.                        К пиролизной камере 1, представляющей горизонтальный канал, смонтирован воздуховод дутьевой машины 6 с бункером измельченного угля 7 и питателем угля 8. На пиролизной камере 1 смонтирован бункер отходов 9 и питатель отходов 10.                                 В циклонной камере окислительного дожига и представляющей вертикальный цилиндр выполнены фурма пиролизного газа 11 и фурма вторичного воздуха 12, через которую воздух подается дутьевой машиной 13. В нижней части циклонной камеры окислительного дожига 2 располагается гидравлический шлакосборник 14. Камера каталитического дожига 3 выполнена в виде вертикальных щелевых газоходов, стенки которых выложены из алюмосиликатных огнеупоров. Камера осаждения золы 4 имеет в нижней части сборник твердых дисперсных частиц и механизм удаления золы 5.

Работа установки осуществляется следующим образом:

Предварительно измельченные отходы подают в бункер 9. Измельченный уголь подают в бункер 7. Дутьевая машина 6 нагнетает воздух в пиролизную камеру 1. Из бункера 7, питателем 8 уголь попадает в воздушную струю, смешивается с воздухом и топливная смесь сгорает факелом 15 в пиролизной камере 1. Из бункера 9 питателем 10 отходы 16 вбрасываются в факел 15 и при движении газового потока через пиролизную камеру 1 подвергаются интенсивному термическому воздействию, в результате которого происходит пиролиз, т.е. распад органической субстанции на летучие продукты (включая испаренную воду отходов) и твердый остаток - смесь углерода и минерального шлака. Смесь продуктов сгорания угля и продуктов термического распада отходов - условно пиролизный газ - 17 тангенциально через фурму 11 вводится в циклонную камеру окислительного дожига 2, где смешивается с вторичным воздухом, поступающим от дутьевой машины 13 через фурму 12. В результате окислительного дожига образуются продукты сгорания 18, состоящие из азота, СО₂, Н₂О, SО_2, с незначительной примесью неокисленных углеводородов. Крупный шлак собирается в нижней части циклонной камеры окислительного дожига 2 и удаляется через гидравлический шлакосборник 14. Продукты сгорания 18 проходят камеру каталитического дожига 3, в которой происходит необратимое окисление остаточных углеводородов, включая полихлордибензодиоксины. Далее, проходя через камеру осаждения золы 4, в результате резкого падения скорости потока из продуктов сгорания выпадает зола 19, которая периодически выводится механизмом удаления золы 5. Из камеры осаждения золы 4 продукты сгорания направляются в теплообменный аппарат, например котел-утилизатор [8].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет процесса горения пивной  дробины.

 

 

Расход пивной дробины: =2,83 кг/с

Влажность пивной дробины: W= 75%

  =

На стадии фильтрования

 

Поверка:

 

2.1.Расчет материального баланса печи.

Состав ПД, %

 

Клетчатка	Белки		Жиры	Зола	Акт.без. в-ва
4	7,1	75	1,8	1,1	11	100

 

Содержание рабочей золы в рабочей  ПД:

Содержание других элементов в  ПД:

;

;

;

;

;

.

 

 

 

Состав рабочей ПД, %

 

2,77	4,92	51,92	1,25	0,76	7,62	0,77	30	100

 

При W= 10% в ПД содержится золы 4,1% масс, тогда в пересчете на СВ концентрация золы в сухой ПД составляет 4,56%.

Остальная часть сухой ПД представлена целлюлозой, т.е 95,44% масс.

Целлюлоза

M=162

Элементный состав целлюлозы, % масс:

 

Состав горючей массы, %

 

 

 

Состав рабочего топлива, %.

 

Теплота сгорания рабочего топлива:

 

 

 

Принимаем ПД при

 

Теоретически необходимое количество сухого воздуха:

С учетом влажности атмосферного воздуха  при d=10 г/кг сух в-ха получим:

Действительное количество воздуха  при α=1,2:

сухого 

атмосферного

 

 

Количество и состав продуктов  горения при α=1,2:

 

 

 

 

 

Общий объем продуктов горения  при α=1,2:

 

 

 

 

 

 

 

 

Состав продуктов сгорания ПД.

 

 

 

 

Приход		кг/с	Расход	кг/с
1.ПД		1,01	1.Зола	0,77
2.Вода		0,3	2. Дым.газы	5,03
3.СВ		0,71		0,1587
4.Воздух		2,981		3,12
		0,03		0,712
		0,69		1,0384
		2,27
5.Орг.мин	0,7171
Итого:	5,718		Итого:		5,8

 

2.2. Расчет теплового баланса.

 

;

Принимаем

Приходные стать:

1)

-по воде и целлюлозе.

2)

3)

 

 

Расходные статьи:

1)

2)

-по шлаку.

3)

         

3. Расчет барабанной печи.

Производительность  печи составляет 2,8 т/ч.

Диаметр печи по кожуху:

Внутренний  диаметр печи:

Диаметр печи по кожуху при толщине футеровки 200мм:

Длина вращающейся печи:

Скорость  вращения, принимая в среднем  :

Скорость  движения материала, принимая , :

   

Длина зоны горения:

Принимаем для зоны спекания , для зоны охлаждения :

При этих условиях длина зон спекания и охлаждения составит:

         

Скорость  вращения печи при 

                                      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. В.Кунце «Технология солода и пива» Санкт-Петербург 2001г.
2. Вторичные сырьевые ресурсы пищевой и перерабатывающей промышленности АПК России и охрана окружающей среды. Спр-к.  П/ред.Е.И. Сизенко.-М.: Пищепромиздат, 1999г.
3. Дегтерев С.В., Горшков В. А. Комплексная переработка отходов органического происхождения//Проблемы химии и экологии: Тез. докл. обл. конф. молодых уч. и студ. - Пермь, 2000.
4. Е.Ю. Руденко., Пиво и напитки,№2, 2007 г. Современные тенденции переработки основных побочных продуктов пивоварения.
5. http://msd.com.ua/bioenergiya/szhiganie/
6. Рекламные и информационные материалы ЗАО "Турмалин", ЗАО "Безопасные технологии", EPCO.
7. Техника защиты окружающей среды. А.И. Родионов, В.Н.Клушин, Н.С.Торочешников. М.:Химия, 1989, 512 с.
8. http://ntpo.com/patents_waste/waste_1/waste_72.shtml