Studium aerodynamiki cyrkulacyjnego reaktora fluidalnego w szczególności do pirolizy węgla

Studium aerodynamiki cyrkulacyjnego reaktora fluidalnego w szczególności do pirolizy węgla

Tytul alternatywny: Study on aerodynamics of circulating fluidized bed reactors particulary for coal pyrolysis

Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Chemia / Politechnika Śląska
rok: 2001, z. 143, s. 3--190, bibliogr. 184 poz.

Slowa kluczowe polskie: AERODYNAMIKA, REAKTOR FLUIDALNY, PIROLIZA WĘGLA,

Jezyk: polski

Typ dokumentu: artykuł z czasopisma

Streszczenie angielskie: A scaling up methodology of circulating fluidized bed coal pyrolysis reactor is presented. The reactor operates under the fast fluid-bed conditions with structural, characteristic internal circulation and forced external solids feedback. The principle of reactor operation is typical for other applications of circulating fluidized bed systems including combustion of solid fuels. Achieved results, particulary those concerned with aerodynamics of flow be applied for all types of gas - solid flow including pneumatic conveying. Developed models of particulate solids flow concern mainly coarses particles (group B according to Geldart classification), which are moving under intermediate or turbulent conditions. Suitable correlations are also elaborated for smaller particles (group A according to Geldart classification) to verify proposed mechanisms and models with available literature data. Experimental work was carried out in laboratory cold models for aerodynamics investigations and for process evaluation in PDU scale of the throughput 300kg of coal/h. The results of the run of 6t/h pyrolysis reactor were also used for final validation of developed scaling up procedure. Different solid materials were used for testing, viz.: coal, char, sand, steel beads, poppy seeds, catalyst. The Reynolds and Archimedes numbers for investigated solids are in the range: 60 Ret 1250, 3,5*10 power 3 Ar 6,0*10 power 5. The main results consist of the development of static model of coal pyrolysis in circulating fluidized bed, defining of the region of fast fluidization, elaboration of logistic concept of solid concentration effect on drag coefficient, which can handle both intensification and damping of turbulence. Moreover, the solids loading is correlated with effective particle velocity by introduction of correction factor to terminal velocity in the form of turbulence intensity. The method for the determination of saturation carrying capacity for A and B powders is also presented; it takes into account the effect of riser diameter and developed correlations are discussed in terms of available data. Following saturation carrying capacity, the mechanism of choking is proposed as well as suitable correlations. A core - annulus model for solid - gas flow in fast fluidised bed is developed and the condition of minimum pressure drop of the system it set out. The basic assumption of the model is flow of solids under saturation carrying capacity condition in the core and expanded solids bed in the annulus. The model results are used for the evaluation of the actual residence time os solids applying elaborated equations. The static model of coal pyrolysis in circulating fluidized bed reactor and aerodynamics of gas - solid flow are combined to present criteria for scaling up procedure of the reactor under various operation conditions.

Streszczenie polskie: W pracy przedstawiono metodykę powiększania skali reaktora pirolizy węgla pracującego w reżimie szybkiego złoża fluidalnego charakteryzującego się strukturalną cyrkulacją wewnętrzną oraz wymuszoną cyrkulacją zewnętrzną. Zasada działania reaktora jest typowa dla innych zastosowań cyrkulacyjnych złóż fluidalnych, w tym także spalania paliw stałych. Z tego względu wyniki pracy, w szczególności z zakresu aerodynamiki przepływu materiału sypkiego i gazu, znajdują zastosowanie we wszystkich typach układów dyspersyjnych gaz-ciało stałe, w tym także transportu pneumatycznego. Opracowane modele ruchu cząsteczek ciała stałego dotyczą przede wszystkim materiałów sypkich o większych średnicach (grupa B wg klasyfikacji Geldarta), których opływ odbywa się w zakresie przejściowym i burzliwym , co wypełnia braki w tej dziedzinie wiedzy. W celu zweryfikowania proponowanych mechanizmów zachodzących zjawisk, jak i modeli ruchu opracowano również odpowiednie zależności dla materiałów najczęściej stosowanych dotychczas w badaniach (grupa A wg klasyfikacji Geldarta) i porównano wyniki obliczeń z danymi literaturowymi. Procesowe badania eksperymentalne prowadzono w skali laboratoryjnej w modelach "zimnych", a badania technologiczne - w skali pilotowej (300 kg węgla/h). Wykorzystano również wyniki eksploatacyjne reaktora w skali 6 t węgla/h w celu ostatecznej weryfikacji opracowanej procedury powiększania skali. W pracy stosowano takie materiały sypkie jak: węgiel, karbonizat, piasek kwarcowy, agalit, kulki stalowe, mak, cząstki katalizatora, które charakteryzują się następującymi zakresami liczby Reynoldsa i Archimedesa 60 Ret 1250, 3,5* 10 do potęgi 3 Ar6,0*10 do potęgi 5. Do najistotniejszych elementów pracy można zaliczyć: opracowanie statycznego modelu pirolizy węgla w cyrkulacyjnym reaktorze fluidalnym, zdefiniowanie obszaru istnienia szybkiego złoża fluidalnego, opracowanie koncepcji wpływu koncentracji cząstek ciała stałego na współczynnik oporu cząstek; wykazano, że wpływ ten na rozwój burzliwości strumienia może być zarówno zakłócający jak i tłumiący. Ponadto opracowano koncepcję uwzględnienia wpływu obciążenia transportu na prędkość cząstek, polegającą na wprowadzeniu współczynnika poprawkowego do prędkości unoszenia w postaci odpowiadającej współczynnikowi turbulencji oraz przedstawiono koncepcję zdefiniowania prędkości krytycznej transportu i uwzględnienia wpływu średnicy aparatu wprowadzając teoretyczne podstawy dla równania korelacyjnego dla materiałów sypkich grupy zarówno B, jak i A. Opracowano zależności na prędkość zawału transportu pneumatycznego oraz zinterpretowano mechanizm jego powstawania w wyniku propagacji niestabilności przepływu cząstek w obrębie wpływu ich śladu. Zaproponowano dwustrefowy model przepływu materiału sypkiego w obszarze szybkiego złoża fluidalnego definiując warunki do przepływu cząstek ciała stałego i gazu, zarówno w strefie przyściennej, jak i strefie rdzeniowej. Warunkiem rozwiązania modelu jest osiągnięcie minimalnego spadku ciśnienia w układzie, gdzie parametrem zmiennym jest porowatość strefy przyściennej. Na podstawie dwustrefowego modelu szybkiego złoża fluidalnego wprowadzono zależności w celu obliczania rzeczywistego czasu przebywania cząstek ciała stałego w zależności od parametrów strukturalnych układu oraz - uwzględniając opracowane zarówno modele statyczne pirolizy węgla, jak i aerodynamiki przepływu cząstek ciała stałego - przedstawiono kryteria powiększania skali reaktora pirolizy węgla dla różnych warunków pracy.