Использование псевдоожиженного слоя

В качестве наиболее простого обыденного примера применения псевдоожижения в аппарате для приготовления попкорна. Зёрна попкорна почти одинаковы по массе и форме зависают в потоке горячего воздуха, поднимающегося со дна камеры. Интенсивное перемешивание частиц попкорна, подобно перемешиванию кипящей жидкости, позволяет выровнять температуру по всему объёму камеры, минимизируя количество подгоревших зёрен. После «взрыва», теперь уже увеличенные зёрна под действием сил аэродинамического лобового сопротивления поднимаются наверх, и выталкиваются во внешнюю ёмкость, в то время как целые зёрна движутся на дно камеры [3].

Псевдоожиженный слой ведёт себя подобно жидкости или газу. Подобно воде в ведре слой будет принимать форму занимаемой ёмкости, его поверхность остаётся перпендикулярной гравитационным силам; зёрна с плотностью, меньшей чем средняя плотность слоя будут подниматься на поверхность, в то время как объекты с плотностью более высокой чем «единая плотность» слоя опускаются на дно. Эти свойства позволяют транспортировать массу из твёрдых зёрен по трубам как жидкости, не прибегая к помощи механического транспорта (в частности, ленточных конвейеров). Свойства псевдоожиженной массы зёрен используются также в системах выгрузки раствора цемента в автоцементовозах.

Процесс псевдоожижения используется для обогащения полезных ископаемых в кипящем слое.

Сжигание в кипящем слое – одна из технологий сжигания твёрдых топлив в энергетических котлах, при которой в топке создаётся кипящий слой из частиц топлива и негорючих материалов. Технология была привнесена в энергетику из химической промышленности в 1970-е гг. для сжигания угля. На сегодняшний день данная технология сжигания считается устаревшей.

В восходящем потоке газа загрузка из твёрдых частиц может находиться в трёх состояниях:

‒ в покоящемся, когда скорость газа мала и он не может поднять частицы – характерен для слоевых топок;

‒ пневмотранспорт – частицы переносятся с быстрым потоком газа в камерных топках;

‒ псевдоожиженный (кипящий) слой при промежуточной скорости газа, когда поток ожижающего агента перемещает частицы слоя и увеличивает его толщину, понижая плотность, но не достигает скорости уноса частиц. топках кипящего слоя.

Кипящий слой может быть высокотемпературным и низкотемпературным (800-900 °C). В кипящий слой вводят значительное количество инертных наполнителей: шлак, песок, доломит, известняк – они повышают теплоотдачу. Доломит и известняк, помимо этого, связывают в карбонаты до 90 % оксидов серы. Топливом могут служить уголь (в том числе в виде остатков в золе от низкоэффективных котлов), горючий сланец, торф, древесные и иные отходы [3].

Топки кипящего слоя не чувствительны к качеству топлива в смысле его химического состава, но чувствительны к однородности фракционного состава частиц топлива и инертной засыпки. Горение в данных топках более интенсивное, чем в обычных слоевых, их габариты меньше. Однако для них требуется создать воздухораспределительная решётка и вентилятор большей мощности. В числе других недостатков этого типа топок:

‒ вынос до 20-30 % всего углерода топлива (поэтому эти топки рекомендуют применять при возможности дожигания уноса размером 0-1 мм в рабочем пространстве котла);

‒ зашлаковывание межсоплового пространства и самих сопел воздухораспределительных колосниковых решёток при недостаточном динамическом напоре воздуха;

‒ очень большой абразивный износ теплопередающих поверхностей, особенно высокий у погружных.

‒ проблема утилизации золы и шлаковых отходов

‒ повышенный износ абразивный износ системы эвакуации золошлаков.

‒ необходимость постоянной загрузки инертных материалов и как следствие из этого высокие эксплуатационные затраты.

Эффект интенсивного горения, аналогичный наблюдаемому при сжигании в кипящем слое, можно получить постоянным встряхиванием колосника с кусками топлива любого размера; но из-за снижения прочности металла колосника при высокой температуре этот способ сложно практически реализовать [5].

Топки кипящего слоя под давлением до 16 кгс/см² с глубокой очисткой газа от золы могут использоваться для организации работы газовых турбин на твёрдом топливе (в составе высоконапорного парогенератора ПГУ).

В котлах малой мощности (единицы МВт) возможно использование топок кипящего слоя для сжигания водоугольного топлива (ВУТ). Как показала практика использование подобных топок для сжигания ВУТ хотя и не является полностью автоматизированным, позволяет получить стабильное горение ВУТ.

Циркулирующий кипящий слой. Эта технология промежуточная между обычным кипящим слоем и камерным сжиганием. Основная часть частиц при этом взвешена в кипящем слое, но дутьё несколько более сильное, и значительное количество несгоревших частиц выносится выше слоя (хотя частично они оседают обратно, попадая в застойные зоны у стенок топки, так что циркуляция топлива идёт по всей её высоте). Для их улавливания за топкой присутствует горячий циклон, из которого твёрдые частицы вновь подаются в зону горения. В циркулирующий кипящий слой (ЦКС) также дозированно добавляют известняк для подавления оксидов серы; оксиды азота в них также весьма низкие и не требуют специального улавливания. Основное достоинство этой технологии – отсутствие жёстких требований как к химическому составу, так и к тонкости размола и однородности состава топлива; влияние эрозии в нём меньше, чем в обычной топке кипящего слоя. Выброс золы с газами небольшой (но требуется всё же установка электрофильтров). Недостатками являются большой расход электроэнергии на дутьё и большая сложность изготовления и автоматизации котлов ЦКС; в России они в настоящее время не выпускаются [3].

Рис. 2.1 - Технологии сжигания органических топлив

Новое потенциальное применение технологии псевдоожижения – это химическое циклическое сжигание. Одним из решений по снижению потенциального воздействия диоксида углерода, образующегося при сжигании топлива (например, на электростанциях), на глобальное потепление является связывание двуокиси углерода . При регулярном сжигании с воздухом образуется газ, в основном состоящий из азота (так как это основной компонент воздуха в количестве около 80 % по объёму), что предотвращает экономичное связывание. В химическом цикле используется оксид металла оксид в качестве твёрдого носителя кислорода. Эти частицы оксида металла заменяют воздух (в частности, кислород в воздухе) в реакции горения с твёрдым, жидким или газообразным топливом в псевдоожиженном слое, образуя твёрдые частицы металла в результате восстановления оксиды металлов и смесь диоксида углерода и водяного пара, основные продукты любой реакции горения. Водяной пар конденсируется, оставляя чистый диоксид углерода, который может быть изолирован. Твёрдые частицы металла циркулируют в другом псевдоожиженном слое, где они вступают в реакцию с воздухом (и снова с кислородом воздуха), выделяя тепло и окисляя частицы металла до частиц оксида металла, которые рециркулируют в псевдоожиженный слой. камера сгорания [4].

Псевдоожижение имеет множество применений с использованием ионообменных частиц для очистки и обработки многих промышленных жидких потоков. В таких отраслях, как пищевая, гидрометаллургическая, водоумягчительная, каталитическая, химическая на биологической основе и другие. Традиционно ионный обмен используется в насадочном слое, где предварительно осветлённая жидкость проходит вниз через колонну.

Реактор с псевдоожиженным слоем (FBR) – это тип устройства реактор, который используют для выполнения различных многофазных химических реакций псевдоожиженный слой.

В реакторах этого типа текучая среда (газ или жидкость) пропускается через твёрдый гранулированный материал (обычно катализатор, возможно, имеющий форму крошечных сфер) при высокой достаточной скорости, чтобы приостановить твёрдое тело и заставить его вести себя так, как если бы оно было жидкостью. Этот процесс, известный как псевдоожижение, придаёт много важных преимуществ FBR.

Материал твёрдого субстрата (каталитический материал, с которым реагируют химические соединения) в реакторе с псевдоожиженным слоем обычно поддерживается пористой пластиной, известный как дистрибьютор. Жидкость проталкивается через распределитель вверх через твёрдый материал. При более низких скоростях жидкости твёрдые частицы остаются на месте, поскольку жидкость проходит через пустоты в материале. Он известен как реактор с насадочным слоем. По мере увеличения скорости жидкости реактор достигнет стадии, когда сила жидкости на твёрдые частицы будет достаточной, чтобы уравновесить вес твёрдого материала. Как только эта минимальная скорость будет превышена, содержимое реакторного слоя начинает расширяться и закручиваться, подобно резервуару с мешалкой или кипящей воде. В зависимости от условий работы твёрдой фазы в этом реакторе могут наблюдаться различные режимы течения [4].

Достоинства:

‒ равномерное перемешивание частиц: благодаря внутреннему жидкостному поведению твёрдого материала псевдоожиженные слои не испытывают плохого перемешивания, как в уплотнённых слоях;

‒ однородные градиенты температуры: некоторые химические реакции требуют регулирования уровня теплоты. Локальные горячие или холодные точки в реакционном слое, являющиеся проблемой в уплотнённых слоях, нет в условиях псевдоожижения, таких как FBR. В реакторах других типов эти локальные перепады температур, особенно в горячих точках, могут привести к деградации продукта;

‒ возможность работы реактора в непрерывном состоянии: возможность для непрерывного извлечения продукта и введения новых реагентов в реакционный сосуд.

Недостатки реактора:

‒ увеличенный размер корпуса реактора: крупные первоначальные капитальные затраты;

‒ необходимость жидкости для взвешивания твёрдого материала достижения более высокой скорости протекания в реакторе для чего требуется большая мощность накачки и, следовательно, более высокие затраты на энергию;

‒ падение давления, связанное с глубокими слоями, также требует дополнительной мощности нагнетания;

‒ унос частиц: высокие скорости газа в реакторах этого типа приводят к увлекание мелких частиц за жидкостью. Захваченные частицы выносятся из реактора, где они должны быть отделены, что является дорогостоящей процедурой, может оставаться проблемой даже при использовании технологий, снижающих унос;

‒ отсутствие текущего понимания: текущее понимание фактического поведения материалов в псевдоожиженном слое довольно ограничено. Очень сложно предсказать и рассчитать массовые и тепловые потоки в пласте и из-за этого требуется пилотная установка для новых процессов. Но даже ними масштабирование может быть очень трудным и не отражать, что было испытано в пилотных испытаниях;

‒ эрозия внутренних компонентов: мелкие твёрдые частицы в слое приводят к износу корпуса реактора;

‒ сценарии потери давления: если давление псевдоожижения внезапно падает, площадь поверхности слоя может внезапно уменьшиться – это может быть либо неудобством (например, затруднение перезапуска постели), либо более серьёзными последствиями, такими как неуправляемые реакции (например, для экзотермических реакций, при которых теплопередача внезапно ограничивается) [4].

Двойной псевдоожиженный слой используется в процессах горения с химическим циклом (CLC). Он представляет собой технологический процесс, работающего с взаимосвязанным с системой псевдоожиженного слоя движущимся слоем, также использовался в качестве технологического процесса. В CLC оксид металла используется в качестве материала слоя, обеспечивающего кислород для сжигания в топливном реакторе. Восстановленный металл затем переносится во второй слой (воздушный реактор) и повторно окисляется перед повторным вводом обратно в топливный реактор, завершающий цикл.

Рис. 2.2 – Схема реакторной системы CLC

На рис. 1.2 показана упрощённая схема процесса CLC. На рис 2.3 показан пример системы циркулирующего реактора с двойным псевдоожиженным слоем и системы циркулирующего реактора с псевдоожиженным слоем.

Рис. 2.3 – (Слева) Конструкция с двойным псевдоожиженным слоем, химический цикл Дармштадта упрощает количество

химических реакций при горении.

Использование кислорода без азота и следовых газов, обнаруженных в воздухе, устраняет первичный источник образования оксида азота (NO_x), даёт дымовой газ, состоящий в основном из диоксида углерода и водяного пара; другие следы загрязнителей зависят от выбранного топлива [5].

Изучая рис. 1.2, тепловой двигатель приспособлен для получения теплоты при высоких температурах от экзотермической реакции окисления. После преобразования части этой энергии в работу тепловая машина отклоняет оставшуюся энергию в виде теплоты. Практически весь этот отвод энергии может быть поглощён эндотермической реакцией восстановления, протекающей в восстановителе. Такое расположение требует, чтобы окислительно-восстановительные реакции были экзотермическими и эндотермическими соответственно, но это обычно имеет место для большинства металлов. Некоторый дополнительный теплообмен с окружающей средой требуется для удовлетворения второго закона; теоретически для обратимого процесса теплообмен связан с изменением энтропии в стандартном состоянии первичной реакции окисления углеводородов.

Вариантом CLC является горение с химическим циклом с разъединением кислорода (CLOU), при котором используется переносчик кислорода, он выделяет кислород в газовой фазе в топливном реакторе. Это полезно для достижения высокой конверсии газа, особенно при использовании твёрдого топлива, когда можно избежать медленной паровой газификации полукокса. Работа CLOU с твёрдым топливом показывает высокую эффективность.

Псевдоожиженный слой концентратор (FBC) – это промышленный процесс обработки отработанного воздуха (рис. 1.4). В системе используется слой гранул активированного угля для адсорбции летучих органических соединений (ЛОС) из выхлопных газов. Система FBC, созданная на основе предыдущих концентраторов с неподвижным слоем и углеродного ротора, пропускает воздух, содержащий летучие органические соединения, через несколько перфорированных стальных лотков, увеличивая скорость воздуха и позволяя субмиллиметровым углеродным шарикам псевдоожижаться или вести себя так, как если бы они были взвешены в жидкость. Это увеличивает площадь поверхности взаимодействия углерод-газ, что делает его более эффективным при улавливании ЛОС.

Промышленные процессы, требующие вентиляции, в том числе покрасочные камеры, типография и химическое производство, выпускают вентилируемый воздух в концентратор псевдоожиженного слоя (FBC) при комнатной температуре. Сначала воздух проходит в адсорбционную башню, где проходит через шесть перфорированных лотков с чистыми угольными шариками. 0,7 мм жидкость в лотках улавливает ЛОС по мере их смешивания.

Рис. 2.4 – Принципиальная схема процесса концентрации

Гранулы насыщенного углерода проходят из башни адсорбера в башню десорбера, где гранулы нагреваются до 176 °С и высвобождаются летучие органические соединения. Обычно башня адсорбера во много раз больше, чем башня десорбера, что приводит к уменьшению объёма воздуха и увеличению концентрации ЛОС. Отношение размера адсорбера к размеру десорбера называется коэффициентом концентрации и колеблется от 10: 1 до 100: 1.

Концентрированный газовый поток ЛОС направляется из колонны десорбера в термический окислитель, где органический соединения нагревают до 1227 ° F и окисляются или расщепляются на диоксид углерода (CO₂), воду (H₂0) и побочные продукты. В некоторых случаях выделяются небольшие количества оксида углерода (CO), оксида азота (NO_X) и других газов. [5]