Upgrading of waste streams into fuel by means of drying with low temperature excess heat - a techno-economic evaluation
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2019-12-13
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
85 + app. 66
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 215/2019
Abstract
The use of industrial excess heat in drying of combustible waste streams enhances the energy efficiency of combustion process and reduces emissions. A suitable dryer for wastes is a belt dryer when low air temperatures are used. However, the total drying costs may vary considerably depending on how different design parameters are chosen. This dissertation studies the effects of the design parameters of the belt dryer on total drying costs when different waste streams are dried using low temperature excess heat. Temperature is usually lower than 100-120 °C. The waste materials included are woodchips, bark, and mixture of soot sludge and sawdust. The influence is assessed by changing the following parameters: bed height, drying air temperature, air velocity, and initial/final moisture contents of the material. In order to produce a techno-economic evaluation, a series of experimental tests have been conducted to gain information on drying kinetics of the streams in fixed beds. Based on the experimental data, an Excel-based programme was developed to determine the costs. Drying kinetics studies show that the air temperature has a great impact on the drying time for all materials; the lower the temperature, the longer the drying time needed. For example, for woodchips, the drying time is ~two times longer when the temperature decreases from 70 to 50 °C (300 mm). Results indicate that there is an optimum value for air velocity, after which increase of the velocity will no longer remarkably decrease the drying time. Results also indicate that the most optimal volume ratio for the sludge and sawdust is 50%:50% and the most optimal bed height is 200 mm. The economic calculations show that the highest bed height and the highest air temperature (bark: 250 mm, 110 °C; woodchips: 500 mm, 90 °C) yield the lowest drying costs, regardless of the change of moisture content, when the price of the heat is the same for every air temperature. For the sludge and sawdust mix, the lowest costs are gained with the highest air temperature (100 °C). The optimal bed height of the mix depends on the material and its initial moisture content. The higher the moisture content, the lower the optimal bed height is. When materials are dried, the availability of heat sources at different temperatures may be limited. In that case, it may be reasonable to use different air temperatures in successive drying blocks. On the basis of block studies, it seems to be more economic to use lower air temperatures in the first blocks when material is moist, and higher air temperatures in the last blocks when the moisture content of material is lower if the heat price is the same for both temperature levels. Air velocity should be the same over the entire dryer. In general, the results of this dissertation shows that it is important to pay attention to the main design parameters to optimize total drying costs.Teollisuuden ylijäämälämmön käyttö palavien jätevirtojen kuivauksessa lisää palamisprosessin energiatehokkuutta ja vähentää päästöjä. Sopiva kuivuri jätteille on hihnakuivuri, kun käytetään alhaisia ilman lämpötiloja. Kuivauskustannukset voivat kuitenkin vaihdella huomattavasti riippuen siitä, miten eri suunnitteluparametrit valitaan. Tässä väitöskirjassa tutkitaan hihnakuivurin suunnitteluparametrien vaikutuksia kokonaiskuivauskustannuksiin, kun eri jätevirrat kuivataan matalalämpötilaisella ylijäämälämmöllä (alle 100-120 °C). Työhön sisällytetyt materiaalit ovat puuhake, kuori ja nokilietteen ja sahanpurun seos. Vaikutusta arvioidaan muuttamalla seuraavia parametreja: petikorkeus, kuivausilman lämpötila, ilman nopeus ja materiaalin alku-/loppukosteuspitoisuus. Tekno-taloudellisen arvioinnin aikaansaamiseksi on tehty useita kokeellisia testejä, jotta ollaan saatu tietoa jätevirtojen kuivauskinetiikasta kiinteässä pedissä. Koetulosten perusteella kehitettiin Excel-ohjelma kustannusten määrittämiseksi. Kuivauskinetiikkatutkimukset osoittavat, että ilman lämpötilalla on suuri vaikutus materiaalien kuivausaikaan; mitä alhaisempi lämpötila, sitä pidempi kuivausaika. Esimerkiksi hakkeella kuivausaika on noin kaksi kertaa pidempi, kun lämpötila laskee 70:sta 50 °C:een (300 mm). Tulokset osoittavat, että ilman nopeudelle on optimi, minkä jälkeen nopeuden lisäys ei enää vähennä huomattavasti kuivausaikaa. Tulokset osoittavat myös, että lietteen ja purun optimaalinen tilavuussuhde on 50%:50% ja pedin korkeus on 200 mm. Taloudelliset laskelmat osoittavat, että korkein petikorkeus ja korkein ilman lämpötila (kuori: 250 mm, 110 °C; hake: 500 mm, 90 °C) antavat alhaisimmat kuivauskustannukset, riippumatta kosteuspitoisuuden muutoksesta, kun lämmön hinta on sama kaikille ilman lämpötiloille. Lietteen ja purun seokselle alhaisimmat kustannukset saadaan korkeimmalla ilman lämpötilalla (100 °C). Seoksen optimi petikorkeus riippuu materiaalista ja sen alkukosteudesta. Mitä suurempi kosteuspitoisuus on, sitä pienempi on optimaalinen pedin korkeus. Lämmönlähteiden saatavuus eri lämpötiloissa voi olla rajoitettu kuivauksessa. Tällöin voi olla järkevää käyttää eri ilman lämpötiloja peräkkäisissä kuivurilohkoissa. Tutkimuksen perusteella on taloudellisempaa käyttää alhaisempaa ilman lämpötilaa ensimmäisessä lohkossa, kun materiaali on kostea, ja korkeampaa ilman lämpötilaa seuraavassa lohkossa, kun materiaalin kosteus on pienempi, jos lämmön hinta on sama molemmille lämpötiloille. Ilman nopeuden tulisi olla sama koko kuivurissa.Yleisesti tulokset osoittavat, että on tärkeää kiinnittää huomiota pääsuunnitteluparametreihin kokonaiskuivausmenojen optimoimiseksi.Description
Supervising professor
Ahtila, Pekka, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandThesis advisor
Holmberg, Henrik, Dr., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, FinlandOther note
Parts
-
[Publication 1]: Myllymaa, Tiina; Holmberg, Henrik; Hillamo, Harri; Laajalehto, Tatu; Ahtila, Pekka. Wood Chip Drying in Fixed Beds: Drying Kinetics and Economics of Drying at a Municipal Combined Heat and Power Plant Site. Drying Technology, 2015, volume 33, issue 2, pages 205-215.
DOI: 10.1080/07373937.2014.945179 View at publisher
-
[Publication 2]: Myllymaa, Tiina; Holmberg, Henrik; Arhippainen, Pentti; Ahtila, Pekka. Upgrading of Soot Sludge from Waste to Fuel by Means of Low Temperature Drying in Fixed Beds. Fuel Processing Technology, 2015, volume 138, pages 509-519.
DOI: 10.1016/j.fuproc.2015.06.030 View at publisher
- [Publication 3]: Myllymaa, Tiina; Holmberg, Henrik; Ahtila, Pekka. Economic Evaluation of Drying of Soot Sludge and Sawdust Mixture at Low Temperatures Using the Characteristic Drying Curve Method. Submitted to Special issue of ChemEngineering.
-
[Publication 4]: Myllymaa, Tiina; Holmberg, Henrik; Ahtila, Pekka. Techno-Economic Evaluation of Biomass Drying in Moving Beds: The Effect of Drying Kinetics on Drying Costs. Drying Technology, 2019, volume 37, issue 10, pages 1201-1214.
DOI: 10.1080/07373937.2018.1492615 View at publisher