Projekt stacjonarnego złoża fluidalnego ma prezentować zjawiska fluidyzacji, czyli powstawanie zawiesiny drobnych cząstek ciała stałego w strumieniu płynu. Fluidyzujące cząsteczki znajdują się w stanie zawieszonym, gdy prędkość ich unoszenia przez gaz jest równa prędkości ich opadania pod wpływem siły grawitacji. Samo złoże fluidalne, którego cząsteczki są w ruchu, wygląda jak wrząca ciecz.
Zjawisko fluidyzacji jest powszechnie wykorzystywane w przemyśle i energetyce. Sztandarowym przykładem jego wykorzystania w energetyce jest spalanie miału węglowego w kotłach fluidalnych. Proces ten znajduje zastosowanie także w wielu innych dziedzinach. Unikalna zdolność złóż fluidalnych do utrzymywania jednorodnej temperatury i szybkiej wymianie ciepła powodują stosowanie ich chociażby w przemyśle spożywczym do zamrażania, suszenia produktów i liofilizacji. Ponadto znane jest stosowanie w procesach takich jak prażenie rud siarczkowych, gazyfikacja węgla, prowadzenie reakcji syntezy i katalitycznego rozkładu węglowodorów (kraking).
Schemat kotła fluidalnego ze złożem stacjonarnym. Źródło: [1].
Rys historyczny
Za wynalazcę stacjonarnego złoża fluidalnego uważa się Fritza Winklera z Niemiec. 16 grudnia 1921 roku wprowadził on gazowe produkty spalania do dna tygla zawierającego cząsteczki koksu. Winkler zobaczył, jak cząsteczki unoszone są przez opór gazu, a cała masa wyglądała jak wrząca ciecz. Choć prawdopodobnie wielu innych badaczy obserwowało zjawisko fluidyzacji w przeszłości, eksperyment Winklera uważa się za początek wykorzystywania zjawiska na wielką skalę. Zgłosił on patent do wynalazku oraz budował komercyjne instalacje fluidalne o przekroju poprzecznym wynoszącym do 12m2, zatem duże nawet jak na dzisiejsze standardy. Pomysł spalania węgla w stacjonarnych złożach fluidalnych został rozpowszechniony na początku lat 60. XX wieku przez Douglasa Elliotta z Wielkiej Brytanii. Równolegle rozwój technologii złóż fluidalnych następował w USA i Chinach [2].
Wady i zalety złóż fluidalnych
Do głównych zalet złóż fluidalnych można zaliczyć:
- Szybkie mieszanie ciał stałych, w złożu panują warunki zbliżone do izotermicznych
- Duże złoże fluidalne odporne jest na szybkie zmiany temperatury, powoli reaguje na nagłe zmiany warunków pracy
- Wysoka szybkość wymiany ciepła między gazem a cząsteczkami ciała stałego, w porównaniu z innymi sposobami kontaktu
- Łatwość skalowania i wykorzystania w dużej skali
- Płynny przepływ cząstek umożliwia łatwą kontrolę przeprowadzanych operacji
Natomiast największe wady złóż fluidalnych to:
- Szybkie mieszanie się ciał stałych prowadzi do nierównomiernego czasu ich przebywania w złożu
- Występuje erozja rur i zbiorników w wyniku ścierania przez cząstki
- Przepływ gazu przez złoże jest trudny do opisania, mogą występować spore odchylenia od wzorów, szczególnie przy drobnych cząstkach
Zastosowania złóż fluidalnych w energetyce
Głównym zastosowaniem złóż fluidalnych w energetyce od lat jest wykorzystywanie ich w kotłach fluidalnych, gdzie różne rodzaje węgla, czy też opcjonalnie inne paliwa, takie jak na przykład biomasa lub odpady przemysłowe i komunalne, są spalane w postaci zawieszonej. Kotły fluidalne można podzielić na stacjonarne (z ang. bąbelkujące) oraz cyrkulacyjne. Możliwe są również warianty ciśnieniowe obu tych rozwiązań. Niewątpliwą zaletą kotłów fluidalnych jest znacznie niższa temperatura spalania niż w kotłach pyłowych, która wynosi do 900 °C. Spalanie w niższej temperaturze pozwala na ograniczenie emisji szkodliwych związków, głównie tlenków azotu, gdyż azot w powietrzu dostarczonym do spalania nie ulega utlenieniu do NO2 w temperaturach rzędu 800-900 °C [2].
Model stacjonarnego złoża fluidalnego
Głównym założeniem przy budowie stacjonarnego złoża fluidalnego było stworzenie układu, który wykorzystuje powietrze atmosferyczne sprężane przez sprężarkę bezolejową do ciśnienia maksymalnie 10 bar. Powietrze to wprowadzane jest następnie do złoża, w którym piasek kwarcowy o odpowiedniej gradacji poddawany jest fluidyzacji. Gotowe złoże ma kompaktowe rozmiary (60x40cm), które umożliwiają łatwe przenoszenie, sprawdzając się jednocześnie w pełni jako eksponat pokazowy dający możliwość obserwacji i odczucia procesu fluidyzacji na własnej skórze, umożliwiając zanurzenie rąk w fluidyzującym piasku.
Przed budową docelowego modelu złoża fluidalnego przeprowadzono obliczenia niezbędne do jego prawidłowego zaprojektowania i uzyskania pożądanych parametrów fluidyzacji. W kolejnych krokach obliczono minimalną prędkość fluidyzacji, dobrano przepływ powietrza do powierzchni złoża, obliczono wymaganą ilość otworów w orurowaniu dystrybutora, przepływ przez jeden otwór w orurowaniu dystrybutora oraz czas pracy złoża na zbiorniku danej pojemności.
Dystrybutory gazu w złożu zbudowane są z odcinków rur z wykonanymi w nich otworami. Przy stosowanym piasku kwarcowym o gradacji 0,1 – 0,4 mm, otwory wykonano wiertłem o średnicy 0,8 mm. Poza oczywistą zaletą w postaci konieczności wykonania mniejszej liczby otworów przy wyborze większej średnicy, większa średnica zmniejsza prawdopodobieństwo zapchania się otworów drobinami piasku oraz daje wystarczające pokrycie powierzchni otworami i równomierność pracy złoża.
Stosując układ 6 rur dystrybuujących sprężone powietrze w projektowanym modelu złoża, na każdej z nich zgodnie z obliczeniami wykonano 109 otworów. Każda rura nawiercana była w 2 rzędach pod kątem 90 stopni względem siebie, tak że powietrze wylatuje pod kątem 45 stopni w lewo i w prawo (2 rzędy po 55 otworów na każdej z rur). Przy założeniu aktywnej długości rur wynoszącej 40 cm, odległość między otworami wynosi około 0,7 cm.
Wizualizacja pierwotnego modelu złoża fluidalnego z większą liczbą rur doprowadzających powietrze, sprzed testów i obliczeń. Podczas prac zaobserwowano, że proces fluidyzacji przebiega lepiej przy otworach wyrzucających gaz skierowanych w dół, niż w przypadku skierowania ich w górę. Obserwacja ta znajduje potwierdzenie w literaturze [3].
Źródła:
[1] S. N. Oka, E. J. Anthony, Fluidized Bed Combustion, Marcel Dekker Inc., 2004
[2] P. Basu, Circulating Fluidized Bed Boilers, Springer International Publishing Switzerland 2015
[3] D. Kunii, O. Levenspiel, Fluidization Engineering, 2nd Edition, Butterworth-Heinemann, 1991