The potential of fluid dynamic scale models for scale up and fluid dynamic optimization of fluidized bed systems

Abstract

In den letzten Jahren ist die Zahl der kommerziell genutzten Wirbelschichtanlagen ständig gestiegen, und noch immer gibt es eine Vielzahl von Forschungsaktivitäten, die darauf abzielen, Wirbelschichtsysteme für neue Anwendungsgebiete nutzbar zu machen.<br />Gleichzeitig besteht aber auch der Bedarf, gebräuchliche Technologien weiter zu entwickeln, z.B.: um steigende Umweltstandards erfüllen zu können oder um ökonomisch bestehen zu können. Unabhängig davon, ob man allgemein bekannte oder neuartige Wirbelschichtanwendungen betrachtet, ist es notwendig, die fluidmechanischen Vorgänge und Zusammenhänge in Wirbelschichtsystemen zu verstehen, um sie erfolgreich auslegen und maßstabsvergrößern zu können.<br />Mit der vorliegenden Dissertation soll unter Beweis gestellt werden, dass korrekt ausgelegte Modellanlagen funktionsfähige Werkzeuge für die fluidmechanische Untersuchung von Originalanlagen sind. Untersuchungen an Originalanlagen gestalten sich meist schwierig, da diese bei hohen Temperaturen und/oder Drücken und mit meist unangenehm zu handhabenden Gasen arbeiten. Im Gegensatz dazu arbeiten die entsprechenden Modellanlagen in vielen Fällen bei Umgebungsbedingungen. Einfacher Betrieb, geringe Anforderungen an mess- und regeltechnische Einrichtungen und meist die Möglichkeit der optischen Kontrolle der makroskopischen Strömungsvorgänge sorgen dafür, dass Modellanlagen eine billige und zuverlässige Quelle notwendiger fluidmechanischer Daten für Scale up Zwecke sind.<br />Verschiedene Autoren haben Ähnlichkeitsgesetze vorgeschlagen, deren Anwendung auf Original- und Modellanlage strömungsmechanische Ähnlichkeit zwischen den beiden Anlagen sicher stellen sollen. Diese Kriterien sind zunächst nur für blasenbildende Wirbelschichten hergeleitet, aber laufend für zirkulierende Wirbelschichten und für druckaufgeladene Wirbelschichten erweitert worden.<br />Am Beginn dieser Arbeit wird die Gültigkeit von Ähnlichkeitskriterien (der umfassende Parametersatz von Glicksman) am Beispiel einer 16 MWel schnellen intern zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung und der entsprechenden Modellanlage experimentell nachgewiesen. Die Gültigkeit des vollständigen Satzes der Ähnlichkeitskriterien wird dadurch auch auf solche Wirbelschichten erweitert, bei denen der Feststoffumlauf keine Stellgröße, sondern das Ergebnis anderer Betriebsparameter und des Designs ist. Zusätzlich handelt es sich sowohl bei der 16 MWel schnellen intern zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung, als auch bei den nachfolgenden Anwendungen um Wirbelschichtsysteme, die aus zumindest zwei Wirbelschichten bestehen.<br />Die nach denselben Ähnlichkeitskriterien ausgelegte Modellanlage einer zirkulierenden Wirbelschichtanlage zur Pyrolyse von Biomasse mit 10 kg/h Feedrate wird unter Einbeziehung des neuartigen Designs der Originalanlage vorgestellt. An der Modellanlage werden wesentliche strömungsmechanische Daten ermittelt, mit deren Hilfe der Pyrolyseprozess optimiert werden soll. Es werden zwei weitere strömungsmechanisch ähnliche Modellanlagen von Originalanlagen gebaut, deren Größen denen einer Pilotanlage und einer Anlage industriellen Maßstabs entsprechen. Anhand der aus Experimenten an den drei Modellanlagen erarbeiteten Erkenntnisse werden Kriterien für das Scale up für eine industrielle Pyrolyseanlage mit einer Feedrate von 1 t/h Biomasse ermittelt.<br />Anschließend wird das Scale up einer schnellen zirkulierenden Wirbelschicht für die Vergasung von Biomasse analysiert. Der Vergleich experimentell ermittelter strömungsmechanischer Daten von Modellanlage und realisierter Industrieanlage zeigt hervorragende Übereinstimmung.<br />Die gewählten Beispiele dienen dazu, die Gültigkeit des umfassenden Satzes an Ähnlichkeitskriterien auf solche zirkulierende Wirbelschichtsysteme zu erweitern, bei denen die Umlaufrate keine Stellgröße ist, sondern ein Betriebsparameter, der sich aus der Summe anderer Betriebsparameter und Designgrößen ergibt. Darüber hinaus weist diese Arbeit nach, dass strömungsmechanisch ähnliche Modellanlagen nützliche, einfache und zuverlässige Werkzeuge für das Scale up von thermochemischen Umwandlungsprozessen, vor allem von Biomassekonversionsprozessen, darstellen. Die Modellanlagen sind hervorragend geeignet, die makroskopischen Strömungscharakteristika des Gesamtsystems als Funktion einzelner Eingangsgrößen (Fluidisierungsraten, Masse und Eigenschaften des Bettmaterials) und des Designs zu untersuchen.<br />Abschließend werden zwei weitere Beispiele für die Verwendung von strömungsmechanisch ähnlichen Modellanlagen diskutiert, mit denen ebenfalls am Instituts für Verfahrenstechnik, TU Wien, gearbeitet wurde, um die oben gewonnen Erkenntnisse anzuwenden und zu überprüfen. Die Modellanlage zur Optimierung des Prallabscheiders einer zirkulierenden Wirbelschichtfeuerung mit einer Leistung von 1 MWth und die Verwendung von Modellanlagen für die Entwicklung und die Untersuchung des Designs eines Chemical Looping Combustion Reaktors werden vorgestellt und analysiert.<br />

In recent years the number of commercial applications of fluidized beds has been increasing steadily and still lots of research activities aiming at the use of fluidized bed systems in new technological fields are in progress. At the same time existing technology has to be improved, e.g. in order to fulfill increasing environmental standards or to stand economic competition. But no matter if one considers well-known or novel applications of fluidized bed systems, it is always essential to understand the fluid dynamics to design and scale up such a system in the best possible way.<br />The aim of this thesis is to proof - by the use of various examples - that properly designed scale models are powerful tools for analysis of the fluid dynamics of the related systems. The scale models often operate at ambient conditions, whereas the original systems are operated at elevated temperatures and/or pressures and mostly hostile atmosphere.<br />Scale models therefore offer easy handling, poor requirements on experimental measurement, and control techniques and often possible optical observation of macroscopic flow structures. This makes them a cheap, comfortable and reliable source of necessary and important fluid dynamic data for scale up purposes. The examples referred to in this work are related to the three principle directions of thermochemical biomass conversion: biomass combustion, biomass gasification and biomass pyrolysis.<br />To ensure proper design of scale models, similarity in the fluid dynamic characteristics of model and origin respectively, scaling relationships have been suggested by several authors. Primarily, these relationships have been derived for bubbling fluidized beds only, but these are still being extended for circulating fluidized beds and pressurized fluidized beds continuously.<br />At the outset of this thesis fluid dynamic scaling criteria (the full set of scaling parameters according to Glicksman) are successfully examined by experimental results from a 16 MWel fast internally circulating fluidized bed combustor (FICFBC) and its corresponding scale model. The validity of the scaling criteria will herewith be extended to fluidized bed systems, which do not have a controlled solids circulation rate, but where the solids circulation rate is the result of the overall operating conditions. Even more, the FICFBC as well as the other analyzed examples are fluidized bed systems consisting of two or more single fluidized bed sections.<br />Secondly, the model of a bench scale circulating fluidized bed flash pyrolyser (CFB flash pyrolyser) with 10 kg/h feed rate, which has been scaled according to the above verified scaling relationships, will be presented. The purpose of this model is to study the fluid dynamics and optimize the performance with respect to the pyrolysis process. Two more models corresponding with pilot and industrial scale pyrolysers have been designed. The fluid dynamic data obtained from the experiments carried out at all three models is finally used to derive scale up guidelines for a pyrolyser of 1 t/h feed rate.<br />Thirdly, the successful application of a scale model as tool for the scale up of a fast (internally) circulating fluidized bed (FICFB) biomass gasifier is demonstrated. By comparing experimental results from both, scale model and 8 MW (fuel power) demonstration plant, the scale up considerations are verified.<br />The chosen examples serve to extend the validity of the full set of scaling criteria to CFB systems, where the circulation rate of solids is an output parameter of the overall operation and design characteristics of the system but not a controlled (independent) input parameter.<br />Furthermore, the thesis intends to attest that scale models are useful, simple, and reliable tools for scale up purposes of thermochemical conversion processes, solid biomass conversion technologies in particular, and they may be reliably applied to investigate the macroscopic flow characteristics of the overall systems as functions of single input parameters (e.g. fluidization rate, solids inventory, particle properties) and design.<br />Finally, two more examples for the use of scale models, which comprise related work performed at the Institute of Chemical Engineering, Vienna University of Technology, are presented to apply and analyze the above findings. A scale model to optimize the performance of an impinger of a 1 MWth circulating fluidized bed combustor (CFBC) and the use of scale models in the designing phase of the reactor design of a chemical looping combustion (CLC) system are discussed.