Titelaufnahme

Titel
Innovative measurement of solids residence time distribution in circulating fluidized beds : application to a cold flow model / von Simon Hinterhuber
Verfasser / Verfasserin Hinterhuber, Simon
Begutachter / BegutachterinHofbauer, Hermann
Erschienen2012
UmfangIX, 66 Bl. : Ill., zahlr. graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2012
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Verweilzeit / Wirbelschicht / CLC / Induktanz / Messung
Schlagwörter (EN)Residence time / Fluidized Bed / CLC / inductance / measurement
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-52830 Persistent Identifier (URN)
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Innovative measurement of solids residence time distribution in circulating fluidized beds [3.38 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Chemical Looping Combustion (CLC) ist eine neuartiges Verbrennungsverfahren, basierend auf der Wirbelschichttechnologie. Eine CLC Anlage mit einer Leistung von 120 kW wurde an der Technischen Universität Wien erbaut. Sie besteht unter anderem aus zwei zylindrischen Wirbelschichtreaktoren (dem sogenannten "air reactor" (AR) und "fuel reactor" (FR)), die als zirkulierende Wirbelschichten betrieben werden. Diese sind über einen oberen und unteren Siphon miteinander verbunden, um den gegenseitigen Gasaustausch zu verhindern.

Normalerweise wird ein Metalloxid zwischen den beiden Reaktoren im Kreislauf zirkuliert. Im FR wird das Oxid mittels eines gasförmigen Brennstoffes reduziert. Als Brennstoff kommt meist Erdgas (Methan) zum Einsatz, wobei bei vollständigem Umsatz hauptsächlich H20 und CO2 entstehen, welche in einem nachgeschaltetem Zyklon vom Metalloxid abgeschieden werden. Der austretende Gasstrom kann kondensiert werden, um annähernd einen reinen CO2 Gasstrom zu erhalten. Deswegen weist CLC ein hohes Potential auf, um Kohlenstoff effizient abscheiden zu können.

Im AR wird das reduzierte Metalloxid mittels Luft wieder re-oxidiert.

Das dadurch entstandene Gas, welches hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff (Überschusssauerstoff der Oxidation) enthält, wird in einem nachgeschaltetem Zyklon von dem zirkulierenden Metalloxid getrennt. Der oxidierte Sauerstoffträger gelangt über den oberen Siphon in den FR.

Da jede chemische Reaktion eine bestimmte Zeit für ihre Umsetzung braucht, ist die Verweilzeit eines Stoffes in einem Reaktor von großem Interesse, um eine Anlage mit dem höchst möglichen Wirkungsgrad betreiben zu können. Um die fluid-dynamischen Eigenschaften der CLC Anlage besser verstehen zu können, wurde ein Kaltmodell (CFM) im Maßstab 1:3 zur Heißanlage gebaut. Das Kaltmodell wird bei Raumtemperatur betrieben und besteht aus Acrylglas, was eine leichtere Handhabung sowie rasche Umbauten ermöglicht. Zur Fluidisierung des Kaltmodells wird Luft eingesetzt und die verwendeten Partikel bestehen aus Bronze. In dieser Diplomarbeit wurde die Verweilzeit im FR des Kaltmodells in Abhängigkeit der ULS und FR Fluidisierung, sowie des globalem Partikelumlaufs bestimmt.

Zur Messung der Verweilzeit wurde ein Messsystem entworfen und am Kaltmodell installiert, welches nach dem Prinzip des Elektromagnetismus arbeitet: Eine stromdurchflossene Spule erzeugt ein Magnetfeld, welches durch die Präsenz ferromagnetischer Partikel beeinflusst wird. Bei der Änderung des magnetischen Feldes ändert sich proportional zu der Masse der durchströmenden Partikel die Induktivität der Spule. Zu diesem Zweck wurden ferromagnetische Partikel verwendet, die ähnliche fluid-dynamische Eigenschaften wie die paramagnetischen Bronzepartikel aufwiesen. Um auf die Verweilzeit im FR schließen zu können, ist es notwendig die Menge der ein- und austretenden ferromagnetischen Partikel zu kennen. Hierfür wurden zwei stromdurchflossene Spulen am oberen und untern Siphon angebracht. Die dadurch erhaltenen Signale wurden mittels eines in National Instruments LabVIEW erstellten Programms aufgenommen und die mittleren Verweilzeiten in Abhängigkeit der oben genannten Fluidisierungsvariationen bestimmt. Die Variation des globalen Partikelumlaufs zeigte den zu erwartenden Einfluss auf die Verweilzeit, nach Levenspiel, 1999, ebenso die Variation der FR Fluidisierung. Die Fluidisierung des oberen Siphons hingegen hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Verweilzeit.

Außerdem wurden die Dispersionszahlen des FR für die verschiedenen Fluidisierungsvariationen ermittelt. Die Variation der ULS Fluidisierung hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Dispersionszahlen.

Wohingegen bei sinkendem globalen Partikelumlauf die Dispersionszahlen sanken, was für eine Annäherung des Strömungsverhaltens an eine Pfropfenströmung spricht. Die durchgeführten Experimente mit dem geringer fluidisierten FR führten zu höheren Dispersionszahlen. Der Grund hierfür könnte in der höheren Partikelmasse liegen, die im FR unter den untersuchten Bedingungen vorherrschte. Des Weiteren wurden die erhaltenen Messsignale in einem erstellten Programm bearbeitet, welches die Verweilzeit und ein Austrittssignal unter Annahme einer Reihenschaltung eines Rohrreaktors und eines kontinuierlichem idealen Rührkessels anstelle des FR simulierte. Das angewandte Modell beschrieb das Verhalten des FR sehr gut und die simulierten paßten mit den berechneten Verweilzeiten ebenfalls zusammen.

Aus den Ergebnissen kann geschlossen werden, daß sich die gewählte Methode gut zur Verweilzeitverteilungsbestimmung von Gas-Feststoff-Systemen eignet.

Zusammenfassung (Englisch)

Chemical looping combustion (CLC) is a novel combustion process based on fluidized bed technology. A CLC power plant (120 kW) was built at Vienna University of Technology. The main parts of the CLC plant are two tubular reactors (the so called air and fuel reactor) and two cyclones. The reactors operate as fluidized beds and are connected by means of a lower and an upper loop seal to avoid a gas exchange between the reaction zones. A metal oxide (bed inventory) is circulated between the air reactor (AR) and the fuel reactor (FR). In the latter reactor, the metal oxide is reduced by methane (fluidization fluid), leading to the main gaseous products H2O and CO2 in the case of full conversion.

The gas stream is separated from the reduced metal in a downstream cyclone and can be condensed afterwards to obtain an almost pure CO2 stream. Therefore CLC shows high potential as carbon capture and storage (CCS) technology. In the air reactor the reduced metal oxide is re-oxidized with air (fluidization fluid). The air reactor exhaust gas, mainly consisting of Nitrogen and excess Oxygen, is separated in a downstream cyclone from the circulating solids. Since conversion proceeds with time, the residence time of particles in reactors is of interest, in consideration of plant efficiency. The particle residence time depends on the fluid-dynamic behaviour of a reactor. For better understanding of the fluid-dynamic behaviour of the chemical looping combustion pilot plant, a cold flow model (CFM) with a scale of 1:3 to the hot unit was built. The CFM operates at ambient conditions and is made out of acrylic glass. Thus, the CFM is easy to handle and to modify. The bed material (bronze particles) is fluidized with air, according to the Glicksman criteria. In this thesis, the mean residence time of the fluidized particles in the fuel reactor of the CFM was investigated, with respect to the ULS fluidization, the global solids circulation rate and the fluidization rate of the fuel reactor. The measuring system for the particle residence time was designed and built at the Vienna University of Technology for the cold flow model and works in conformity with the principle of magnetic fields: An electric conductor is winded to a coil and creates, when a current is applied, a magnetic field. At the time when ferromagnetic particles pass through the coil, the magnetic field of the coil changes and affects the inductance of the coil. For this purpose, ferromagnetic particles that exhibit nearly equal fluid-dynamic properties like the paramagnetic bronze particles are used. The change of the inductance is proportional to the mass of the ferromagnetic particles passing the coil at a certain time point. The thereby measured signals are recorded with a program created in LabVIEW. To determine the residence time distribution in the fuel reactor it is necessary to know the concentration of the magnetic particle in the streams that enter and leave the reactor at a certain time. Therefore two coils are fixed at the upper and lower loop seal of the cold flow model, to obtain an input and an output signal of the passing particles through the fuel reactor. The mean residence time of the particles in the FR is then evaluated as a function of the variation of the solids circulation rate, the FR and the ULS fluidization velocities. The influence of the solids circulation rate showed the expected behaviour, according to Levenspiel, 1999, as well as the fuel reactor fluidization velocity. The ULS fluidization velocity had no significant influence on the particle residence time. In addition, the vessel dispersion number (VDN) is evaluated for different fluidization conditions. The ULS fluidization variation had no significant influence. Whereas the vessel numbers decreased with increasing solids circulation rates, which indicates that the flow pattern slightly tend to the plug flow model. The experiments carried out at the lower fluidization rate of the fuel reactor lead to higher VDN. This is probably due to the higher particle mass found in the fuel reactor at the investigated conditions, what increases the relative share of the well-mixed FR zone compared to the flow-reactor-like loop seal ducts. Furthermore the input signals obtained from the measurement were introduced into a simulation model, which was based on an assumed configuration of a connection in series of an ideal plug flow reactor (PFR) and an ideal continuous stirred tank reactor (CSTR). The model calculated the corresponding output signals. It has shown that the assumed model characterizes the system for the conditions studied very well. From the obtained results it can be concluded that the applied residence time distribution measurement method based on magnetic properties is suitable for investigation of gas-solid systems.

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