ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ЧАСТИЦ БИОМАССЫ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ
Аннотация
Сокращение запасов и увеличение стоимости ископаемого топлива на фоне роста потребления энергии, ужесточения экологических стандартов и необходимость повышения уровня диверсификации энергетики побуждает человечество к более широкому использованию возобновляемых энергоресурсов, в том числе твердых видов топлива биологического происхождения. Потенциал использования биотоплива весьма значителен, так как энергетический эквивалент земного урожая биомассы на суше в несколько раз превышает общемировое потребление энергии. Применение биомассы в качестве возобновляемого топлива стало уже мировой реальностью в связи с развитием стратегий и технологий, которые жизнеспособны для превращения биомассы в энергию. Цель данной работы - представить обзор литературных источников по экспериментальным исследованиям, касающихся использования для этих целей аппаратов с кипящим слоем, принимающих во внимание их конструкции и масштабные переходы. Сначала представлена традиционная терминология, касающаяся твердых частиц и важных свойств частиц биомассы. Приведено краткое описание технологий конверсии биомассы и явлений, возникающих при ее псевдоожижении, с последующим объяснением различных экспериментальных техник. Обсуждены характеристические скорости (начальная, кажущаяся, сегрегационная и полная) для различных свойств биомассы и многочисленные эмпирические формулы для этих скоростей. Наконец, высказаны некоторые соображения о порозности кипящего слоя (кажущейся и полной) и расширения слоя. На основе литературного анализа достигнуто лучшее понимание явлений, возникающих при псевдоожижении биомассы. Однако необходимы дальнейшие исследования, чтобы осмыслить влияние характеристик биомассы на рабочие слои. Кроме того, более точные и обобщенные эмпирические корреляции должны быть получены, чтобы усовершенствовать эти технологии.
Для цитирования:
Tannous K., De Mitri A.G., Мизонов В.Е. Обзор экспериментальных исследований гидродинамического поведения частиц биомассы в кипящем слое. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2018. Т. 61. Вып. 9-10. С. 4-14
Литература
Geldart D. Types of gas fluidization. Powder Technol. 1973. V. 7, N. 5. P. 285-292. doi:10.1016/0032-5910(73)80037-3.
Rowe P.N., Nienow A.W., Agbim A.J. A preliminary quantitative study of particle segregation in gas fluidized beds – Binary systems of near spherical particles. Trans. Inst. Chem. Eng. 1972. V. 50. P. 324-333.
Baleato, F.Z. (1986). Analyse des phénomènes de mélange et de ségrégation de deux populations différentes de particules solides dans un lit fluidisé par un gaz (Unpublished Doctoral Dissertation). National Polytechnic Institute of Toulouse, Toulouse, FR.
Leu L.P., Wu C.N. Prediction of Pressure Fluctuations and Minimum Fluidization Velocity of Binary Mixtures of Geldart Group B Particles in Bubbling Fluidized Beds. Can. J. Chem. Eng. 2000. V. 78. P. 578-585.doi:10.1002/cjce.5450780317
Rao A.; Curtis J. S.; Hancock B.C.; Wassgren C. (2010) Classifying the Fluidization and Segregation Behavior of Binary Mixtures Using Particle Size and Density Ratios. AIChE Journal, 57(6). 1446-1458. doi: 10.1002/aic.1237
Formisani B., Girimonte R., Vivacqua V. The interaction between mixture components in the mechanism of binary fluidization. Powder Technol. 2014. V. 266. P. 228-235. doi:10.1016/j.powtec.2014.06.007
Clarke K.L., Pugsley T., Hill G.A. Fluidization of moist sawdust in binary particle systems in a gas-solid fluidized bed. Chem. Eng. Sci. 2005. V. 60, N 24. P. 6909–6918. doi:10.1016/j.ces. 2005.06.004
Cluet B., Mauviel G., Rogaume Y., Authier O., Delebarre A. Segregation of wood particles in a bubbling fluidized bed. Fuel Process. Technol. 2015. V. 133. P. 80-88. doi: 10.1016/j.fuproc. 2014.12.045
Tannous K., Lourenço J.B. Fluid dynamic and mixing characteristics of biomass particles in fluidized beds. In: K. Tannous (Ed.) Innovative solutions in fluid-particle systems and renewable energy management (pp. 54-91). Hershey, PA: IGI Global. 2015. doi: 10.4018/978-1-4666-8711-0.ch003
Pérez N.P., Pedroso D.T., Machin E.B., Antunes, J.S., Ramos, R.A.V., Silveira, J.L. Fluid dynamic study of mixtures of sugarcane bagasse and sand particles: Minimum fluidization velocity. Biomass Bioenergy. 2017. V. 107. P. 135–149. doi: 10.1016/j.biombioe.2017.08.015
Basu Paudel, B.E. Biomass gasification and pyrolysis - Practical design and theory. Burlington, USA: Academic Press. 2010. 365 p.
Zhong W., Jin, B., Zhang Y., Wang X., Xiao R. Fluidization of biomass particles in a gas-solid fluidized bed. Energy Fuels 2008. V. 22. P. 4170-4176. doi:10.1021/ef800495u
Zhang Y., Zhong W., Jin B. Experimental and theoretical study on fluidization of stalk-shaped biomass particle in a fluidized bed. Int. J. Chem. React. Eng. 2011. V. 9, P. 1–23. doi:10.2202/1542-6580.2691
Ramakers B.J., Ridder R., Kerkhof P.J.A.M. Fluidization behavior of wood/sand mixtures. Maderas, Cienc. Tecnol. 2004. V. 6. N. 2. P. 145-153. doi:10.4067/S0718-221X2004000200005
Si C., Guo Q. Fluidization characteristics of binary mixtures of biomass and quartz sand in an acoustic fluidized bed. Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47, N. 23. P. 9773-9782. doi:10.1021/ie801070z.
Rao K.V.N.S., Reddy, G.V. Cold flow studies of rice husk, sawdust, and groundnut shell fuels in a fluidized bed. Energy Sourc. A, Recovery util. environ. effects 2010. V. 32. N. 18. P. 1701-1711. doi:10.1080/15567030902882893
Karmakar M.Kr, Haldar S., Chatterjee P.Kr Studies on fluidization behaviour of sand and biomass mixtures. Int. J. Emerging Technol. Adv. Eng. 2013. V. 3, N. 3. P. 180-185. [Special issue].
Pécora A.A.B., Ávila I., Lira C.S., Cruz G., Crnkovic P.M. Prediction of the combustion process in fluidized bed based on physical-chemical properties of biomass particles and their hydrodynamic behaviors. Fuel Process. Technol. 2014. V. 124. P. 188-197. doi:10.1016/j.fuproc.2014.03.003
Kumoro A.C., Nasution D., Cifriadi A., Purbasari A., Falaah A.F.A New Correlation for the Prediction of Minimum Fluidization of Sand and Irregularly Shape Biomass Mixtures in a Bubbling Fluidized Bed. Int. J. Appl. Eng. Res. 2014. V. 9. N. 23, P. 21561–21573.
Higuchi, L.A., Tannous, K. Evaluation of lignocellulosic biomasses produtivity and utilization potencial for energy purpose (in Portuguese). Katia Tannous (Ed.), University of Campinas, Campinas, Brazil, 2015. ISBN 978-85-918766-0-0.
Basu Paudel, B.E. Experimental Study on Fluidization of Biomass, Inert Particles, and Biomass/Sand Mixtures. (Master´s thesis, University of North Texas, Denton, USA). Retrieved from http://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc84265/. 2011. 66 p.
Basu P., Feng Z-G. Prediction of minimum fluidization velocity for binary mistures of biomass and inert particles, Powder Technol. 2013. V. 237, P. 134-140.
Fauziah M., Norazah A.R., Nornizar A., Bahari A.A., Tajuddin M.J. Cold Flow Binary Fluidization of Oil Palm Residues Mixture in a Gas-Solid Fluidized Bed System. J Sci. Technol. 2008. V. 16. N. 2, P. 201–212.
Oliveira T.J.P., Cardoso C.R., Ataíde C.H. Bubbling fluidization of biomass and sand binary mixtures: Minimum fluidization velocity and particle segregation. Chem. Eng. Process. 2013. V. 72. P. 113–121. doi.org/10.1016/j.cep.2013.06.010
Cui H., Grace J.R. Fluidization of biomass particles: a review of experimental multiphase flow aspects. Chem. Eng. Sci. 2007. V. 62. P. 45-55. doi:10.1016/j.ces.2006.08.006
Fagernäs L., Brammer J., Wilén C., Lauer M., Verhoeff F. Drying of biomass for second generation synfuel production. Biomass Bioenergy 2010. V. 34. N. 9, P. 1267–1277. doi:10.1016/j.biombioe. 2010.04.005
Eliaers P., De Wilde J. Drying of Biomass Particles: Experimental Study and Comparison of the Performance of a Conventional Fluidized Bed and a Rotating Fluidized Bed in a Static Geometry. Drying Technol. 2013. V. 31. N. 2. P. 236–245. doi:10.1080/07373937.2012.726304
Yahya M. Fudholi A., Sopian K. Energy and exergy analyses of solar-assisted fluidized bed drying integrated with biomass furnace. Renew. Energ. 2017. V. 105, P. 22–29. 2017. doi:10.1016/j.renene.2016.12.049
Chew, J.J., Doshi, V. Recent advances in biomass pretreatment – Torrefaction fundamentals and technology. Ren. Sust. Energ. Rev. 2011. V. 15, N. 8, P. 4212-4222. doi: 10.1016/j.rser. 2011.09.017
Li H., Liu X., Legros R., Bi X.T., Lim C.J., Sokhansanj S. Torrefaction of sawdust in a fluidized bed reactor. Bioresour. Technol. 2012. V. 103. N. 1, P. 453–458. doi:10.1016/j.biortech.2011. 10.009
Dhungana A., Basu P., Dutta A. Effects of reactor design on the torrefaction of biomass. J Energy Resour. Technol. 2012, V. 134, N. 4, P. 041801-041811. doi:10.1115/1.4007484
Atienza-Martínez M., Fonts I., Ábrego J., Ceamanos J., Gea G. Sewage sludge torrefaction in a fluidized bed reactor. Chem. Eng. J. 2013. V. 222. P. 534–545.
Brachi P., Miccio F., Miccio M., Ruoppolo G. Torrefaction of tomato peel residues in a fluidized bed of inert particles and a fixed-bed reactor. Energy Fuels 2016. V. 30. N. 6. P. 4858–4868. doi:10.1021/acs.energyfuels.6b00328
Punčochář M., Drahoš J., Čermák J., Selucký, K. Evaluation of minimum fluidization velocity in gaz fluidized bed from pressure fluctuations. Chem. Eng. Commun. 1985. V. 35. N. 1-6. P. 81-87. doi:10.1080/00986448508911219
Tannous, K., Hemati, M., Laguerie, C. (1998). Hydrodynamic characteristics of fluidized beds containing large polydispersed particles. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 15(1). 67-76. doi:10.1590/S0104-66321998000100007
Jaiboon O., Chalermsinsuwan B., Mekasut L., Piumsomboon P. Effect of flow pattern on power spectral density of pressure fluctuation in various fluidization regimes. Powder Technol. 2013. V. 233. P. 215-226. doi: 10.1016/j.powtec.2012.09.014
Wang X., Zhong Z., Wang H., Wang Z. Application of Hilbert-Huang transformation in fluidized bed with two-component (biomass particles and quartz sands) mixing flow. Korean J. Chem. Eng. 2015. V. 32, N. 1, P. 43-50. doi: 10.1007/s11814-014-0181-5
Goossens W.R.A., Dumont G.L., Spaepen G.L. Fluidization of binary mixtures in the laminar flow region. Chem. Eng. Prog. S. Ser. 1971. V. 67, N. 116, P. 38–45.
