Zeolietsorptiedroger realiseert forse energiebesparing bij sproeidrogen
Binnen het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT) is onlangs de haalbaarheidsstudie ZeoDry afgerond naar de efficiëntie van een nieuw ontwerp van een zeolietsorptiedroger in een drumconstructie. In dit ontwerp van een zeolietsorptiedrumdroger wordt buitenlucht gedroogd en wordt het materiaal zeoliet toegepast om de lucht te ontvochtigen, tegelijkertijd voor te verwarmen en als toevoerlucht naar sproeidroogprocessen te gebruiken. Omdat de lucht gelijktijdig wordt verwarmd, én de energie die vrijkomt bij de regeneratie van de droger wordt hergebruikt, wordt sproeidrogen een stuk efficiënter. De studie laat zien dat op korte termijn 40 à 45% energie te besparen is. Met de groeiende vraag naar plantaardige eiwitten neemt de behoefte aan sproeidrogen sterk toe en kan de levensmiddelenindustrie dus een belangrijke stap vooruit zetten in zowel de energietransitie als de proteïnetransitie.
Energie-efficiëntie van sproeidrogen verbeteren
Sproeidrogen is een proces dat leidt tot een stabiel, goed te bewaren, efficiënt te transporteren product met behoud van nutriënten. Het wordt onder meer gebruikt in de productie van babyvoeding maar ook voor sportvoeding, medicinale voeding, soepen en sauzen enzovoorts. Kort gezegd wordt bij sproeidrogen een poeder gevormd uit een oplossing. Daarbij wordt de (geconcentreerde) oplossing door een verstuiver geleid waarbij kleine druppeltjes ontstaan. Met behulp van (veel) warmte verdampt de vloeistof en blijft uiteindelijk de droge stof over.
Hoewel deze techniek bijzonder efficiënt is en veel voordelen kent, heeft het één groot nadeel: het kost veel energie. De buitenlucht die wordt aangezogen voor het sproeidroogproces moet namelijk worden verwarmd tot zo’n 200 °C waarvoor in vrijwel alle gevallen aardgas wordt verbrand.
Er is een groeiende behoefte om de energie-efficiëntie van sproeidrogen te verbeteren. Enerzijds komt dit door de stijgende energieprijzen en de ongewenste CO2-uitstoot die gekoppeld is aan de verbranding van aardgas. Anderzijds zullen door de eiwittransitie steeds meer producten met plantaardige in plaats van dierlijke eiwitten worden aangeboden. Het verwerken van plantaardige eiwitten vergt meer energie dan verwerking van dierlijke eiwitten en daarom zal een optimalisatie van het sproeidrogen nog belangrijker zijn.
Nieuw materiaal
Een veelbelovende installatie om de energie-efficiëntie te verbeteren is de zeolietsorptiedroger die de lucht droogt vóór het sproeidroogproces. Hoe droger immers de lucht die wordt gebruikt voor het sproeidroogproces, hoe meer vocht deze drooglucht zal kunnen opnemen. Het idee om lucht voor te drogen is niet nieuw. Het is een oplossing om het sproeidroogproces efficiënter te laten verlopen en vooral rendabel wanneer de aangetrokken buitenlucht een hoge relatieve luchtvochtigheid heeft. Bijvoorbeeld in de zomer.
Traditioneel wordt er een silica-honingraat-composiet gebruikt om aangezogen buitenlucht vóór te drogen. Dit materiaal kan relatief veel vocht opnemen, waarbij de temperatuur van de silica met elke gram onttrokken vocht zo’n 3,5 °C stijgt tot een maximum van 70 – 80 °C. Rick Kirpestein is als projectleider betrokken bij de ontwikkeling ervan: “Een alternatief voor silica is zeoliet. Dit mineraal heeft enkele opmerkelijke eigenschappen. Het is bijvoorbeeld bijzonder poreus – 1 gram zeoliet heeft een oppervlakte van 1.000 vierkante meter – waardoor het veel vocht kan opslaan. Daarbij is zeoliet beter bestand tegen hogere temperaturen dan silica. Met elke gram vocht die zeoliet per kg lucht absorbeert, stijgt de temperatuur van de uittredende lucht met 4,5 °C. Het materiaal kan dit volhouden tot ongeveer 130 – 140 °C.”
"Deze studie geeft aan dat het mogelijk is om duurzaam netto 40 à 45% minder energie te gebruiken in sproeidroogprocessen"
Lucht voorverwarmen met restwarmte
Het vermogen om efficiënter te drogen (capaciteitswinst!) én de weerstand tegen hogere temperaturen bieden kansen om energie te besparen. Dit komt doordat restwarmte wordt benut om de lucht zowel voor te drogen als voor te verwarmen. Hoe warmer deze lucht immers bij de sproeidroger komt, hoe minder extra energie nodig is om de lucht op de gewenste eindtemperatuur te brengen.
Opslag van water in zeoliet (semi-closed loop)
De eerste besparingsmogelijkheid ligt in het benutten van de warmte die vrijkomt bij de opslag van water in het zeoliet. Daarbij geldt: hoe vochtiger de ingaande lucht is, hoe meer warmte wordt geproduceerd. Om die reden wordt vochtige lucht onttrokken aan de uitlaat van de sproeidroger en gemengd met buitenlucht tot een vochtgehalte van ongeveer 25 gram vocht per kg lucht. Kirpestein: "Stel dat de mengtemperatuur ongeveer 26,5 °C is en je deze lucht met ongeveer 25 gram vocht per kg terugdroogt naar 2 gram vocht per kg, dan krijg je een temperatuurstijging van 23 maal 4,5 °C. Opgeteld bij de oorspronkelijke temperatuur van 26,5 °C leidt dit tot een temperatuur van 130 °C waarmee de lucht de sorptiedroger verlaat.”
Regeneratie van het zeoliet
Het door de roterende zeolietdrum opgenomen vocht, wordt in een aparte sectie van de zeolietdrum uit het zeoliet verdreven, waardoor het zeoliet is geregenereerd en weer vocht kan opnemen. Dit wordt bereikt door lucht met een hoge temperatuur (270 °C – 300 °C) door de regeneratiesectie te leiden. Aan de uitlaat van deze sectie ontstaat daardoor een vrijwel verzadigde hoeveelheid stoom (1 bar) met een temperatuur van ongeveer 140 °C – 170 °C. Met een hogetemperatuur (HT) warmtepomp is deze stoom om te zetten naar warmte die de temperatuur van de ingangslucht van de sproeidroger kan verhogen tot ca. 170 °C.
Kirpestein: “Door deze opstelling met zeoliet ben je dus uiteindelijk in staat om de ingaande lucht voor de sproeidroger vrijwel volledig op temperatuur te brengen zónder gebruik te maken van aardgas. Het regenereren van de sorptiedroger gebeurt deels elektrisch, wat de mogelijkheid biedt om gebruik te maken van groene stroom. Wanneer je op deze manier de energiestromen zodanig kunt leiden dat er een ‘semi-closed loop’ ontstaat, behaal je het maximale rendement.”
Nieuwe opstelling: drumconcept
Een theoretisch succesvol concept is uiteraard nog geen succesvol te implementeren oplossing. Ook de opstelling vroeg om aandacht. Kirpestein: “Bij het gebruik van silica werd hoofdzakelijk gewerkt met warmtewielen. Zestien jaar geleden is dit met zeoliet ook geprobeerd. Binnen dat project is de technologie gevalideerd, maar het was destijds nog niet marktrijp. Omdat dit materiaal meer vocht kan opslaan én omdat de regeneratietemperaturen veel hoger worden, ontstonden er mechanische en thermodynamische problemen in de destijds te kleine pilot-installatie. De toepassing van zeoliet vraagt dan ook om een wezenlijk andere opstelling, die gevonden is in een drumconstructie. Deze opstelling biedt meer mogelijkheden om de verschillende luchtstromen te scheiden, is beter te lageren en verkrijgt zo de benodigde stabiliteit die weerstand biedt aan de diverse warmtebelastingen en materiaalspanningen.”
"Bedrijven kunnen rekening houden met een terugverdientijd van 4 tot 6 jaar op basis van energiebesparing, afhankelijk van het gebruik”
In de haalbaarheidsstudie ZeoDry zijn vervolgens berekeningen uitgevoerd op basis van dit model voor CAPEX en OPEX op basis van huidige energietarieven. Deze studie geeft aan dat het mogelijk is om duurzaam netto 40 à 45% minder energie te gebruiken in sproeidroogprocessen.
Een voorbeeld met concrete cijfers
Het energieverbruik van een sproeidroger met een droogluchtcapaciteit van 55.000 kg drooglucht en een totaal energieverbruik van 2,4 Megawatt per uur, zou met deze opstelling en technologie kunnen worden gereduceerd tot 1,32 Megawatt per uur. Iets wat zeker mag worden beschouwd als een ‘game changer’ voor de sproeidroogindustrie.
Met de positieve uitkomst van de haalbaarheidsstudie staat het ZeoDry-project aan de vooravond van de ontwikkeling van een demo of een pilot voor commerciële toepassingen. ISPT is bezig een consortium van partners samen te brengen die hiermee aan de slag willen gaan. Kirpestein: “Wanneer we deze fase straks achter de rug hebben, kunnen we de zeolietsorptiedroger daadwerkelijk inzetten bij zowel kleinere bedrijven als multinationals. Daarbij is het een voordeel dat deze droger niets verandert aan het kernproces en op een beperkte ruimte eenvoudig ernaast is te plaatsen. Bovendien is het een schaalbare oplossing: de capaciteit is naar wens uit te breiden en kan zowel greenfield als brownfield worden ingezet. Wat betreft de terugverdientijd - op basis van energiebesparing - kunnen bedrijven rekening houden met 4 à 6 jaar, afhankelijk van het gebruik.”
Kruisbestuiving programma’s
De uitkomsten van de haalbaarheidsstudie zijn waardevol voor diverse programma’s bij ISPT. Enerzijds het Fascinating programma waarbinnen deze studie is uitgevoerd. Dit regionaal georiënteerde programma richt zich op duurzame landbouw in Groningen en maakte voor de haalbaarheidsstudie tevens gebruik van de expertise die is opgebouwd binnen het Drying & Dewatering programma. Dit programma richt zich op nationaal en internationaal niveau op verduurzaming van droog- en ontwateringsprocessen in de voedselindustrie.
Anne van der Zwaan is programmamanager van dit laatstgenoemde programma en legt uit: “Hier komen de energie- en eiwittentransitie dus naadloos samen. In Nederland van groot belang omdat wij het tweede exportland ter wereld zijn voor landbouwproducten en gidsland in het verbouwen en verwerken van voedsel. Als we de groeiende wereldbevolking willen voeden, dan is het noodzakelijk om de voedingsindustrie te innoveren en verduurzamen. Daarbij kunnen we gebruikmaken van procestechnologieën die de voedingswaarden maximaliseren en het energieverbruik en de verspilling in de voedselketen minimaliseren. Zie hier de waarde van de zeolietsorptiedroger voor alle sproeidrooggebruikers, zowel in Nederland als daarbuiten."
"Vanuit ISPT gezien is dit een mooi voorbeeld van de manier waarop wij de samenwerking over verschillende disciplines en ketens faciliteren en de rol van regisseur pakken met betrekking tot de drie grote transities: energie, materiaal en proteïnetransitie. Onze succesfactor is daarbij onze onafhankelijke positie en een groot netwerk binnen de procestechnologie gemeenschap. Hierdoor kunnen wij kennis en innovaties optimaal inzetten en reikt de impact van onze activiteiten verder dan de optelling van onze afzonderlijke programma’s. Op weg naar een circulaire economie in 2050.”
Meer informatie over het ZeoDry-project
Partijen die interesse hebben om mee te werken aan de bouw van een demo-installatie voor commerciële toepassing, kunnen contact opnemen met Anne van der Zwaan (zie https://ispt.eu/team/).
