Abstract
In recent decades, more emphasis has been given to produce clean energy from wastes and other renewable sources due to the rise in crude oil price and greenhouse gas emission. Fluidized bed combustors (FBC) are becoming the core of ‘clean wastes technology’ for power production, owing to their efficient and clean burning of coal and other solid fuels including biomass and other wastes, in an environment friendly manner with reduced pollutants. It is important to understand the mechanism of heat transfer and the effect of operating parameters on the heat transfer process for proper design of fluidized-bed reactors and for control the temperature at desired value. The scope of this paper is reviewing the heat transfer process in different types of fluidized bed combustors as well as the important operating conditions affecting the process. This paper covers both experimental and numerical studies related to the heat transfer process in different types of fluidized bed combustors.
Keywords
• Fluidized bed combustor;
• Heat transfer;
• Wastes;
• Heat transfer coefficient;
• Computational fluid dynamics
Nomenclature
A
area
di
internal diameter
dm
the arithmetic mean diameter of two sieve aperture size, mm
do
outer diameter
dp
particle diameter
g
gravitational acceleration
H
height between two pressure taps, horizontal direction
h
heat transfer coefficient
I
electrical current
L
surface length
P
pressure
Q
total heat
T
temperature
U
superficial velocity
V
vertical direction, voltage
x
mass fraction
Greek symbols
δ
fraction of time, Eq. (4)
ε
volume fraction
ρ
density
Subscripts
b
bed
f
fluid
g
gas
mf
minimum fluidizing velocity
p
particle
r
radiation
s
surface
sus
suspension
t
tube
V
vertical
________________________________________
1. Introduction
Nowadays, energy is considered as a main key in discussions of sustainable development. Sustainable development requires a sustainable supply of clean and affordable renewable energy sources those do not cause negative societal impacts. Energy sources such as solar radiation, wind, waves and tides are generally considered as renewable and sustainable over the relatively long term. Wastes and biomass fuels are usually viewed as sustainable energy sources [1]. A variety of waste sources like urban, agriculture, industrial sectors, vegetable markets, etc., generate huge quantities of solid wastes containing a sizeable proportion of biodegradable-organic matter [2]. Waste-to-energy technologies consist of various methods for extracting energy from waste materials. These methods include thermo-chemical types such as combustion, gasification, and pyrolysis. Biological methods like digestion and fermentation are also used in the converting process [3].
Fluidized bed combustion (FBC) is well known as an effective technology for burning both conventional and renewable solid fuel. Fluidized bed combustors have the ability to burn a wide variety of solid fuels with low pollutant emissions, high combustion efficiency, having smaller combustor cross section, fewer feed points, good turndown and load capability. The flexibility of the fuels, the high combustion efficiency, and the low environmental impact are major advantages of FBC [4]. There are two main types of fluidized bed combustor, bubbling fluidized bed combustor (BFBC) and circulating fluidized bed combustor (CFBC). Fluidized bed combustors are environmental friendly applications due to in-bed sulfur capture, and relatively low NOx emissions, which can be directly reflected in better combustion conditions. Operating either in the fast fluidization regime or in the transported bed regime, CFBCs have many advantages over the conventional bubbling or turbulent fluidized bed combustors, such as high gas–solid contact efficiency, high gas and solid throughput, and reduced axial dispersion of both gas and solid phases [5].
In many fluidized bed applications it is necessary to add or extract heat in order to maintain the operating temperature at a desired value. The heat transfer in fluidized beds has been an important part of many investigations in the past. The heat transfer in a fluidized bed is a wide topic. It usually includes several sub-processes: heat transfer between solid particles and fluidizing medium, which includes heat transfer between the gas and solid particles in emulsion phase and heat transfer between bubbles and solid particles; heat transfer between the bed and the surfaces (walls or immersed surfaces); and heat transfer inside the solid particles [6] and [7]. Computational fluid dynamic models and other numerical models of fluidized bed combustors encompass a great deal of simplifications from experimental setups and bed material characteristics, especially when the experiments deal with irregular particles such as biomass particles [8].
This review aims to present a brief overview on the heat transfer process involved in fluidized bed combustor, and the important operating parameters affecting on the heat transfer process. Moreover, the important numerical models available used to predict the heat transfer process in different types of fluidized bed combustors will be mentioned.
2. Heat transfer process in gas–solid fluidized bed combustors
2.1. Experimental studies
2.1.1. Heat transfer process in BFBC
Gas–solid fluidized beds offer a number of advantages such as good solids mixing and high heat and mass transfer rates which make them attractive for a number of industrial processes. These reactors are expected to play an important role in the area of sustainable energy technology especially with renewed interest in wastes conversion to gaseous and liquid fuels via combustion, gasification or pyrolysis. Efficient operation of these reactors would depend on a good understanding of local hydrodynamics and heat transfer [9].
Bubbling fluidized beds operate at gas superficial velocity that is moderately above the minimum fluidization velocity leading to formation of bubbles. A Bubbling fluidized bed essentially consists of a thin phase of bubbles and a dense phase of particles [10]. Bubbling fluidized beds are widely used in the coal and wastes combustion in the power generation, mineral and chemical processing industries. Bubbling fluidized bed combustion continues to emerge as an attractive technology that offers certain advantages with respect to high heat and mass transfer, low pollution gas emissions, uniform temperature distributions and scale-up potential over other combustion systems[11] and [12]. Finned tubes can be used in bubbling fluidized bed combustor to advantage for creating steam for electrical power generation. The rate of heat transfer is high hence heat exchangers within fluidized beds require relatively small surface area comparing with surfaces without fins. However, the heat transfer coefficient decreases with increasing the number of fins used [13], [14] and [15].
In a number of fluidized bed processes in BFBC, particles properties change with time as a result of coating on their surfaces. For example, during biomass combustion ash forming elements may form coatings on the bed material particles, and as their melting temperatures are approached, particles agglomerate. The heat transfer coefficient may then change as the particle surfaces are coated, possibly leading to decreased heat transfer rate [16]. As a consequence, the coated particles showed lower heat transfer coefficients than uncoated ones [16] and [17].
Problems pertinent to bubbling fluidized beds such as gas bypassing, poor fluidization quality of fine particles and elutriation of the bed material have been well-documented. In order to overcome these limitations and improve their intrinsic performance, various assisted fluidization techniques have been proposed and tested including magnetic field, electric field (AC/DC), acoustic excitation, mechanical vibration, and flow pulsation. Flow pulsation is a promising technique to augment the bed-to-surface heat transfer in a bubbling fluidized bed and increase the heat transfer coefficient beyond the intrinsic maximum of a conventional bubbling bed [18].
Many applications of bubbling fluidized beds such as combustion, fluidized bed heat exchange and heat treatment of metals such as aluminum and aluminum alloys require the contact of an immersed surface with the bed material [19]. The isothermal environment and high heat transfer efficiency between a fluidized bed and immersed objects offers significant advantages over conventional reactors. However, the reliable prediction of the heat transfer behavior in a certain fluidized system requires knowledge of many interacting factors such as the size of fluidization vessel, the design of the fluid distributor and vessel internals, and the operating temperature and pressure [20]. Heat transfer between a bed and immersed surfaces in BFBC is influenced by many factors, such as superficial fluidizing velocity [21], [22], [23], [24] and [25], particle size and its packed density [23] and [26], thermo-physical properties of particle and gas [17] and [26], the shape, size and placement of the immersed surfaces [20], [22], [27] and [28], size of FBC [29], and the type of the gas distributor. Table 1 shows literature data from previous studies related to heat transfer between a bed and immersed surfaces in bubbling fluidized bed.
Table 1.
Heat transfer coefficients from the immersed surface to the bed in bubbling fluidized bed combustors.
Reference FBC size (m) Bed material and size (μm) U (m/s) Surface
________________________________________ h (W m−2 K−1)
Type Size (mm) Orientation
Abid et al.[20]
di = 0.145 Sand, 150–350 Up to 0.5 Tube do = 20 Different inclination 150–600
L = 120 (Average)
Boerefijn et al. [21]
di = 0.03 Glass, 17 Umf − 2.5Umf Probe do = 0.05 V Over 1000
Silica, 85 Umf − 4.0Umf L = 20
Stefanova et al. [22]
di = 0.029 FCC, 70 0.1–1.0 Tube do = 0.0286 V –
L = 0.101
Kim e
บทคัดย่อในทศวรรษที่ผ่านมาล่าสุด ความสำคัญมีการกำหนดในการผลิตพลังงานสะอาดจากขยะและแหล่งอื่น ๆ ทดแทนเนื่องจากการเพิ่มขึ้นในน้ำมันดิบราคาและเรือนกระจกก๊าซมลพิษ Combustors เบด fluidized (FBC) จะกลายเป็น หลักของ 'เสียเทคโนโลยี ' สำหรับการผลิตพลังงาน เนื่องจากพวกเขา และเขียนทำความสะอาดถ่านหินและเชื้อเพลิงแข็งอื่น ๆ ที่รวมทั้งชีวมวลและขยะอื่น ๆ ในลักษณะเป็นมิตรสิ่งแวดล้อมกับสารมลพิษลดลง จึงควรทำความเข้าใจกลไกการถ่ายเทความร้อนและผลของพารามิเตอร์ปฏิบัติกระบวนการถ่ายโอนความร้อนออกแบบเตาปฏิกรณ์เบด fluidized เหมาะสม และควบคุมอุณหภูมิที่ระบุค่า ขอบเขตของเอกสารนี้จะทบทวนกระบวนการถ่ายโอนความร้อนในชนิดต่าง ๆ ของ combustors เบด fluidized เงื่อนไขปฏิบัติสำคัญที่ส่งผลกระทบต่อกระบวนการ กระดาษนี้ครอบคลุมการศึกษาทดลอง และตัวเลขที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการถ่ายโอนความร้อนในชนิดต่าง ๆ ของ combustors เบด fluidizedคำสำคัญ• Fluidized เตียง combustor ถ่ายเทความร้อน• •เสีย •ความร้อนสัมประสิทธิ์โอน•คำนวณพลศาสตร์ระบบการตั้งชื่อAที่ตั้งดิเส้นผ่าศูนย์กลางภายในdmเส้นผ่าศูนย์กลางเฉลี่ยเลขคณิตของสองตะแกรงขนาดรูรับแสง มม.ทำเส้นผ่าศูนย์กลางภายนอกdpเส้นผ่าศูนย์กลางของอนุภาคgความเร่งของความโน้มถ่วงHความสูงระหว่างสองความดันก๊อก ทิศทางแนวนอนhสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนความร้อนฉันกระแสไฟฟ้าLความยาวของพื้นผิวPความดันQความร้อนทั้งหมดTอุณหภูมิUความเร็วที่ผิวเผินVทิศทางแนวตั้ง แรงดันไฟฟ้าxเศษส่วนโดยรวมสัญลักษณ์ภาษากรีกΔเศษของเวลา Eq. (4)ΕปริมาณเศษΡความหนาแน่นตัวห้อยบีเตียงfน้ำมันgก๊าซmfความเร็วต่ำสุดที่ fluidizingpอนุภาคrรังสีsพื้นผิวsusระบบกันสะเทือนtหลอดVแนวตั้ง________________________________________1. บทนำปัจจุบัน พลังงานถือเป็นหลักในการพัฒนาอย่างยั่งยืน การพัฒนาที่ยั่งยืนต้องจัดอย่างยั่งยืนของดี และแหล่งพลังงานทดแทนที่ราคาไม่แพงที่ไม่ก่อให้เกิดผลกระทบต่อข้อมูลที่ลบ แหล่งพลังงานรังสีแสงอาทิตย์ ลม คลื่น และกระแสน้ำโดยทั่วไปถือว่าทดแทนได้ และยั่งยืนในระยะยาวค่อนข้าง มักจะเสียและชีวมวลเชื้อเพลิงถูกแสดงเป็นแหล่งพลังงานที่ยั่งยืน [1] ชอบแหล่งเสียเมือง เกษตร อุตสาหกรรม ตลาดผัก ฯลฯ สร้างขนาดใหญ่ปริมาณของเสียที่เป็นของแข็งประกอบด้วยสัดส่วนสำหรับผู้พิการเรื่องสลายอินทรีย์ [2] เทคโนโลยีเสียพลังงานประกอบด้วยวิธีการต่าง ๆ สำหรับการดึงข้อมูลพลังงานจากวัสดุของเสีย วิธีการเหล่านี้รวมถึงชนิดเทอร์โมเคมีเช่นการเผาไหม้ การแปรสภาพเป็นแก๊ส และไพโรไลซิ นอกจากนี้ยังใช้วิธีชีวภาพเช่นการย่อยอาหารและการหมักในกระบวนการแปลง [3]Fluidized bed combustion (FBC) is well known as an effective technology for burning both conventional and renewable solid fuel. Fluidized bed combustors have the ability to burn a wide variety of solid fuels with low pollutant emissions, high combustion efficiency, having smaller combustor cross section, fewer feed points, good turndown and load capability. The flexibility of the fuels, the high combustion efficiency, and the low environmental impact are major advantages of FBC [4]. There are two main types of fluidized bed combustor, bubbling fluidized bed combustor (BFBC) and circulating fluidized bed combustor (CFBC). Fluidized bed combustors are environmental friendly applications due to in-bed sulfur capture, and relatively low NOx emissions, which can be directly reflected in better combustion conditions. Operating either in the fast fluidization regime or in the transported bed regime, CFBCs have many advantages over the conventional bubbling or turbulent fluidized bed combustors, such as high gas–solid contact efficiency, high gas and solid throughput, and reduced axial dispersion of both gas and solid phases [5].ในงานเบด fluidized หลายๆ จำเป็นต้องเพิ่ม หรือแยกความร้อนเพื่อรักษาอุณหภูมิทำงานที่ค่าที่คุณต้องการ ถ่ายเทความร้อนในเตียง fluidized แล้วส่วนสำคัญของการสอบสวนมากมายในอดีต ถ่ายเทความร้อนในเบด fluidized เป็นหัวข้อที่หลากหลาย มักจะมีกระบวนการย่อยหลาย: ความร้อนถ่ายโอนระหว่างอนุภาคของแข็งและกลาง fluidizing ซึ่งรวมถึงการถ่ายเทความร้อนระหว่างก๊าซกับอนุภาคของแข็งในอิมัลชันความร้อนและขั้นตอนการโอนย้ายระหว่างฟองอากาศและอนุภาคของแข็ง ถ่ายเทความร้อนระหว่างนอนและพื้นผิว (กำแพงหรือพื้นผิวสัมผัส); และความร้อนถ่ายโอนภายในอนุภาคของแข็ง [6] และ [7] คำนวณแบบไดนามิกของเหลวและรุ่นอื่น ๆ ตัวเลข combustors เบด fluidized รอบลในเรื่องง่ายทดลองตั้งค่าและลักษณะ วัสดุของเตียงมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อการทดลองจัดการกับอนุภาคไม่สม่ำเสมอเช่นชีวมวลอนุภาค [8]บทความนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อนำเสนอภาพรวมโดยย่อในความร้อนกระบวนการโอนย้ายที่เกี่ยวข้องใน combustor เบด fluidized และกระบวนการโอนย้ายพารามิเตอร์ปฏิบัติสำคัญที่มีผลต่อความร้อน นอกจากนี้ สำคัญเลขรุ่นมีใช้ในการทำนายกระบวนการถ่ายโอนความร้อนในชนิดต่าง ๆ ของ combustors เบด fluidized จะสามารถกล่าวถึง2. กระบวนการถ่ายโอนความร้อนในก๊าซของแข็งเบด fluidized combustors2.1 การทดลองศึกษา2.1.1. ร้อนกระบวนการถ่ายโอนใน BFBCก๊าซของแข็ง fluidized เตียงมีจำนวนข้อได้เปรียบของแข็งดีที่ผสม และความร้อนสูง และอัตราการถ่ายโอนมวลซึ่งทำให้น่าสนใจสำหรับกระบวนการอุตสาหกรรม เตาปฏิกรณ์เหล่านี้คาดว่าจะมีบทบาทสำคัญในเทคโนโลยีพลังงานยั่งยืนโดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีความสนใจต่ออายุในแปลงขยะเป็นเชื้อเพลิงเป็นต้น และของเหลวผ่านการเผาไหม้ การแปรสภาพเป็นแก๊ส หรือไพโรไลซิ มีประสิทธิภาพการทำงานของเตาปฏิกรณ์เหล่านี้จะขึ้นอยู่กับความเข้าใจดีของท้องถิ่นศาสต์และถ่ายเทความร้อน [9]Bubbling fluidized beds operate at gas superficial velocity that is moderately above the minimum fluidization velocity leading to formation of bubbles. A Bubbling fluidized bed essentially consists of a thin phase of bubbles and a dense phase of particles [10]. Bubbling fluidized beds are widely used in the coal and wastes combustion in the power generation, mineral and chemical processing industries. Bubbling fluidized bed combustion continues to emerge as an attractive technology that offers certain advantages with respect to high heat and mass transfer, low pollution gas emissions, uniform temperature distributions and scale-up potential over other combustion systems[11] and [12]. Finned tubes can be used in bubbling fluidized bed combustor to advantage for creating steam for electrical power generation. The rate of heat transfer is high hence heat exchangers within fluidized beds require relatively small surface area comparing with surfaces without fins. However, the heat transfer coefficient decreases with increasing the number of fins used [13], [14] and [15].In a number of fluidized bed processes in BFBC, particles properties change with time as a result of coating on their surfaces. For example, during biomass combustion ash forming elements may form coatings on the bed material particles, and as their melting temperatures are approached, particles agglomerate. The heat transfer coefficient may then change as the particle surfaces are coated, possibly leading to decreased heat transfer rate [16]. As a consequence, the coated particles showed lower heat transfer coefficients than uncoated ones [16] and [17].Problems pertinent to bubbling fluidized beds such as gas bypassing, poor fluidization quality of fine particles and elutriation of the bed material have been well-documented. In order to overcome these limitations and improve their intrinsic performance, various assisted fluidization techniques have been proposed and tested including magnetic field, electric field (AC/DC), acoustic excitation, mechanical vibration, and flow pulsation. Flow pulsation is a promising technique to augment the bed-to-surface heat transfer in a bubbling fluidized bed and increase the heat transfer coefficient beyond the intrinsic maximum of a conventional bubbling bed [18].
Many applications of bubbling fluidized beds such as combustion, fluidized bed heat exchange and heat treatment of metals such as aluminum and aluminum alloys require the contact of an immersed surface with the bed material [19]. The isothermal environment and high heat transfer efficiency between a fluidized bed and immersed objects offers significant advantages over conventional reactors. However, the reliable prediction of the heat transfer behavior in a certain fluidized system requires knowledge of many interacting factors such as the size of fluidization vessel, the design of the fluid distributor and vessel internals, and the operating temperature and pressure [20]. Heat transfer between a bed and immersed surfaces in BFBC is influenced by many factors, such as superficial fluidizing velocity [21], [22], [23], [24] and [25], particle size and its packed density [23] and [26], thermo-physical properties of particle and gas [17] and [26], the shape, size and placement of the immersed surfaces [20], [22], [27] and [28], size of FBC [29], and the type of the gas distributor. Table 1 shows literature data from previous studies related to heat transfer between a bed and immersed surfaces in bubbling fluidized bed.
Table 1.
Heat transfer coefficients from the immersed surface to the bed in bubbling fluidized bed combustors.
Reference FBC size (m) Bed material and size (μm) U (m/s) Surface
________________________________________ h (W m−2 K−1)
Type Size (mm) Orientation
Abid et al.[20]
di = 0.145 Sand, 150–350 Up to 0.5 Tube do = 20 Different inclination 150–600
L = 120 (Average)
Boerefijn et al. [21]
di = 0.03 Glass, 17 Umf − 2.5Umf Probe do = 0.05 V Over 1000
Silica, 85 Umf − 4.0Umf L = 20
Stefanova et al. [22]
di = 0.029 FCC, 70 0.1–1.0 Tube do = 0.0286 V –
L = 0.101
Kim e
การแปล กรุณารอสักครู่..