Industriële droging elektrificeren met oververhitte stoom

Industriële drogers gebruiken veel energie, vaak afkomstig van aardgas. Fraunhofer IGB ontwikkelt daarom een alternatief waarbij hete lucht plaatsmaakt voor oververhitte stoom. In het LowCarbDry-project wordt die stoom geproduceerd met elektriciteit en een warmtepomp. Door daarnaast warmte terug te winnen en het proces flexibel aan te sturen, moet het energiegebruik volgens de onderzoekers met een factor twee tot vier omlaag kunnen.

Producten als mineralen, voedingsmiddelen, bouwmaterialen, chemische grondstoffen en diervoeders moeten vaak grote hoeveelheden vocht verliezen voordat ze verder kunnen worden verwerkt. Traditioneel gebeurt dat met warme lucht, die na het drogen samen met de opgenomen waterdamp de installatie verlaat. Daarmee verdwijnt ook een deel van de toegevoerde warmte.

Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB proberen dat warmteverlies te beperken. In het Duitse onderzoeksproject LowCarbDry vervangen zij de hete lucht door oververhitte stoom en sluiten zij de droogkringloop zoveel mogelijk. De partners werken daarbij samen met Evonik Operations en de Pergande Group.

Geen hete lucht, maar droge stoom

Bij de nieuwe aanpak is het droogmedium geen lucht maar oververhitte, droge waterdamp. Het proces werkt bij atmosferische druk. De stoom brengt warmte over op het natte product, waardoor het aanwezige vocht verdampt.

Het grote verschil zit vervolgens in wat er met het droogmedium gebeurt. Bij conventionele hete-luchtdroging wordt een aanzienlijke hoeveelheid warme, vochtige lucht afgevoerd. In het concept van Fraunhofer wordt de procesgasstroom zoveel mogelijk gesloten gehouden. De overtollige stoom kan worden gecondenseerd, waarbij warmte vrijkomt die opnieuw kan worden gebruikt. Fraunhofer noemt voor het condensaat een temperatuur van ongeveer 90 tot 100 °C. Daarmee verandert drogen van een proces waarin continu warmte wordt toegevoerd en afgevoerd in een systeem waarin warmte intern wordt rondgepompt.

Warmtepomp

De tweede belangrijke bouwsteen is de warmtepomp. Die verhoogt de temperatuur van de relatief laagwaardige stoom die uit het droogproces komt, zodat de warmte opnieuw beschikbaar wordt voor het droogproces.

Het systeem kan nog een stap verder gaan met mechanische damprecompressie (mechanical vapor recompression, MVR). Daarbij comprimeren compressoren de overtollige stoom. Door de druk te verhogen, stijgt ook de condensatietemperatuur. De gecomprimeerde stoom kan vervolgens condenseren en de vrijgekomen warmte weer aan het droogproces leveren.

Tot 80 procent minder energie

Fraunhofer noemt verschillende energiebesparingscijfers. Binnen LowCarbDry is het doel om de energiebehoefte van het droogproces, afhankelijk van droogmethode en temperatuurniveau, met een factor 2 tot 4 te verlagen. Op de technologiepagina van Fraunhofer wordt voor de combinatie van oververhitte-stoomdroging en mechanische damprecompressie eveneens een verwachte reductie van een factor 2–4 genoemd.

Daarnaast stelt Fraunhofer dat de combinatie van drie maatregelen — stoomdroging, warmtepompen en flexibele bedrijfsvoering — het energiegebruik tot 80 procent kan reduceren. De derde pijler van LowCarbDry is de regeling. Fraunhofer gebruikt hiervoor model predictive control (MPC). Daarmee kan het regelsysteem vooruitkijken en het droogproces afstemmen op de verwachte procescondities en elektriciteitsprijzen.

Stoom heeft meer voordelen

De overstap van lucht naar stoom is niet uitsluitend interessant vanwege het energiegebruik. Een atmosfeer met weinig zuurstof kan oxidatie van het product beperken. Dat kan vooral bij voedingsmiddelen en andere gevoelige producten voordelen hebben.

Ook de warmte- en stofoverdracht verschilt van die bij hete lucht. Volgens Fraunhofer kan de intensievere overdracht zorgen voor kortere verblijftijden en daarmee minder thermische degradatie. Tegelijkertijd is er een keerzijde: de hoge droogsnelheid kan de structuur van sommige producten veranderen. Fraunhofer noemt voor zulke gevallen volumetrische voorverwarming met microgolven als mogelijke oplossing.

De technologie is volgens het instituut al getest met uiteenlopende materialen, waaronder minerale grondstoffen, bouwmaterialen, organische reststromen, voedingsmiddelen en diervoeders. Ook noemt Fraunhofer toepassingen voor onder meer kalk, stro, couscous en insectenlarven.

Aroma’s terugwinnen

Een interessant neveneffect van stoomdroging is dat vluchtige stoffen uit een product kunnen worden teruggewonnen. Bij conventionele droging verdwijnen dergelijke stoffen vaak via de afvoerlucht. Bij het deels gesloten stoomproces kunnen ze samen met de overtollige stoom worden verzameld. Na condensatie kunnen waardevolle vluchtige componenten uit het condensaat worden afgescheiden en eventueel opnieuw worden gebruikt. Voor bepaalde voedingsmiddelen kan dat bijvoorbeeld interessant zijn voor het terugwinnen van aroma’s.

Van laboratorium naar pilotinstallatie

Fraunhofer beschikt al over laboratorium- en pilotinstallaties voor drogen met oververhitte stoom. Binnen LowCarbDry zijn inmiddels ook pilotinstallaties voor spraydrogen met oververhitte stoom in bedrijf genomen. Het project werkt onder meer aan een schaalbaar concept voor de verdere ontwikkeling van de technologie.

De energiewinst hangt niet alleen af van de thermodynamica van het droogproces. Ook warmtewisselaars, compressoren, pompen, regeltechniek, producttransport en de manier waarop de installatie wordt gekoppeld aan de rest van de fabriek bepalen de uiteindelijke prestaties. De technologie moet bovendien geschikt zijn voor verschillende typen drogers. Fraunhofer noemt onder meer band-, trommel- en sproeidrogers.