Preview

Расчетно-экспериментальное исследование закономерностей формирования кипящего слоя инертного керамзитового материала

https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-4-332-344

Аннотация

В настоящее время актуальной тенденцией развития топливно-энергетических комплексов ряда стран является диверсификация генерации за счет вовлечения местных видов твердого топлива. При этом термохимическая переработка топлива часто реализуется в псевдоожиженном состоянии. Существенная доля дисперсных видов топлива не может быть переведена в состояние стабильного псевдоожижения. Выходом в таких случаях является создание псевдоожиженного слоя инертного носителя, в который затем вводят частицы целевого топливного компонента. В настоящей работе предпринято расчетно-экспериментальное исследование псевдоожижения инертного сыпучего материала (гранул керамзита). Целью настоящей работы является разработка математической модели формирования псевдоожиженного слоя, позволяющей вести расчет процесса по его локальным характеристикам, а также идентификация параметров модели и ее проверка по данным натурного эксперимента. В ходе исследования решены задачи разработки численного метода расчета распределения скоростей и концентраций по высоте аппарата, выполнена параметрическая идентификация предложенной математической модели, эмпирическая проверка результатов моделирования. В качестве математической основы построения модели использован математический аппарат теории цепей Маркова. Для идентификации параметров модели и ее верификации использованы данные собственного натурного эксперимента. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показало высокую прогностическую эффективность модели для известного гранулометрического состава ожижаемого продукта. Результаты натурных экспериментов показали также значительную эволюцию гранулометрического состава частиц керамзита при их длительном пребывании в псевдоожиженном слое, что требует отдельного исследования, а также введения соответствующих поправок в математическую модель для ее дальнейшего совершенствования.

Об авторах

А. В. Митрофанов
Торайгыров университет
Казахстан

Павлодар



С. В. Василевич
Белорусская государственная академия авиации
Беларусь

Адрес для переписки:
Василевич Сергей Владимирович -
Белорусская государственная академия авиации,
ул. Уборевича, 77,
220096, г. Минск, Республика Беларусь/Тел.: +375 17 249-97-65
svasilevich@yandex.ru



С. О. Стойко
Белорусская государственная академия авиации
Беларусь

г. Минск



Список литературы

1. Fortov V. E., Popel’ O. S. (2014) The Current Status of the Development of Renewable Energy Sources Worldwide and in Russia. Thermal Engineering, 61 (6), 389–398. https://doi.org/10.1134/s0040601514060020.

2. Karpunin I. I., Kuzmich V. V., Balabanova T. (2011) Usage of Vegetal Wastes for Energy Production Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’e-dinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, (6), 72–75 (in Russian).

3. Korsak E. P. (2019) Formation of the System of Threats to Energy Security of the Republic of Belarus. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (4), 388–398. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398 (in Russian).

4. Pode R. (2016) Potential Applications of Rice Husk Ash Waste From Rice Husk Biomass Power Plant. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 53, 1468–1485. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.09.051.

5. Pysmenna U. Yе., Trypolska G. S. (2020) Sustainable Energy Transitions: Overcoming Negative Externalities. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (4), 312–327. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-4-312-327.

6. Grammelis P. (ed.) (2011) Solid Biofuels for Energy. London, Springer London. https://doi.org/10.1007/978-1-84996-393-0.

7. Yates J. G., Lettieri P. (2016) Fluidized-Bed Reactors: Processes and Operating Conditions. Cham, Springer International Publishing. https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-319-39593-7.

8. Perry’s Chemical Engineers’ Handbook. (1998). Choice Reviews Online, 35 (06), 35-3079-35-3079. https://doi.org/10.5860/choice.35-3079.

9. Arromdee P., Kuprianov V. I. (2012) A Comparative Study on Combustion of Sunflower Shells in Bubbling and Swirling Fluidized-Bed Combustors with a Cone-Shaped Bed. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 62, 26–38. https://doi.org/10.1016/j.cep.2012.10.002.

10. Kaewklum R., Kuprianov V. I. (2010) Experimental Studies on a Novel Swirling Fluidized-Bed Combustor Using an Annular Spiral Air Distributor. Fuel, 89 (1), 43–52. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2009.07.027.

11. Madhiyanon T., Lapirattanakun A., Sathitruangsak P., Soponronnarit S. (2006) A Novel Cyclonic Fluidized-Bed Combustor (ψ-FBC): Combustion and Thermal Efficiency, Temperature Distributions, Combustion Intensity, and Emission of Pollutants. Combustion and Flame, 146 (1–2), 232–245. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2006.03.008.

12. Wu X., Li K., Song F., Zhu X. (2017) Fluidization Behavior of Biomass Particles and its Improvement in a Cold Visualized Fluidized Bed. BioResources, 12 (2), 3546–3559. https://doi.org/10.15376/biores.12.2.3546-3559.

13. Zhong W., Jin B., Zhang Y., Wang X., Xiao R. (2008) Fluidization of Biomass Particles in a Gas−Solid Fluidized Bed. Energy Fuels, 22 (6), 4170–4176. https://doi.org/10.1021/ef800495u.

14. Bannon D., Deza M., Masoumi M., Estejab B. (2023) Assessment of Irregular Biomass Particles Fluidization in Bubbling Fluidized Beds. Energies, 16 (4), 2051. https://doi.org/10.3390/en16042051.

15. Deza M., Franka N. P., Heindel T. J., Battaglia F. (2009) CFD Modeling and X-Ray Imaging of Biomass in a Fluidized Bed. Journal of Fluids Engineering, 131 (11), 111303. https://doi.org/10.1115/1.4000257.

16. Leon M. A., Dutta A. (2010) Fluidization Characteristics of Rice Husk in a Bubbling Fluidized Bed. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 88 (1), 18–22. https://doi.org/10.1002/cjce.20245.

17. Armesto L., Bahillo A., Veijonen K., Cabanillas A., Otero J. (2002) Combustion Behaviour of Rice Husk in a Bubbling Fluidised Bed. Biomass and Bioenergy, 23 (3), 171–179. https://doi.org/10.1016/s0961-9534(02)00046-6.

18. Minimum and Complete Fluidization Velocity for Sand-Palm Shell Mixtures, Part I: Fluidization Behavior and Characteristic Velocities (2010). American Journal of Applied Sciences, 7 (6), 763–772. https://doi.org/10.3844/ajassp.2010.763.772.

19. Oliveira T. J. P., Cardoso C. R., Ataíde C. H. (2013) Bubbling Fluidization of Biomass and Sand Binary Mixtures: Minimum Fluidization Velocity and Particle Segregation. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 72, 113–121. https://doi.org/10.1016/j.cep.2013.06.010.

20. Toschi F., Zambon M. T., Sandoval J., Reyes-Urrutia A., Mazza G. D. (2020) Fluidization of Forest Biomass-Sand Mixtures: Experimental Evaluation of Minimum Fluidization Velocity and CFD Modeling. Particulate Science and Technology, 39 (5), 549–561. https://doi.org/10. 1080/02726351.2020.1786202.

21. Clarke K. L., Pugsley T., Hill G. A. (2005) Fluidization of Moist Sawdust in Binary Particle Systems in a Gas–Solid Fluidized Bed. Chemical Engineering Science, 60 (24), 6909–6918. https://doi.org/10.1016/j.ces.2005.06.004.

22. Pérez N. P., Pedroso D. T., Machin E. B., Antunes J. S., Verdú Ramos R. A., Silveira J. L. (2017) Fluid Dynamic Study of Mixtures of Sugarcane Bagasse and Sand Particles: Minimum fluidization Velocity. Biomass and Bioenergy, 107, 135–149. https://doi.org/10.1016/j.biombioe. 2017.08.015.

23. Chen T., Ku X., Lin J., Ström H. (2020) CFD-DEM Simulation of Biomass Pyrolysis in Fluidized-Bed Reactor with a Multistep Kinetic Scheme. Energies, 13 (20), 5358. https://doi.org/10.3390/en13205358.

24. Deen N. G., Van Sint Annaland M., Van der Hoef M. A., Kuipers J. A. M. (2007) Review of Discrete Particle Modeling of Fluidized Beds. Chemical Engineering Science, 62 (1), 28–44. https://doi.org/10.1016/j.ces.2006.08.014.

25. Sommerfeld M., Cui Y., Schmalfuß S. (2019) Potential and Constraints for the Application of CFD Combined with Lagrangian Particle Tracking to Dry Powder Inhalers. European Journal of Pharmaceutical Sciences, 128, 299–324. https://doi.org/10.1016/j.ejps.2018.12.008.

26. Wang T., Zhang F., Furtney J., Damjanac B. (2022) A Review of Methods, Applications and Limitations for Incorporating Fluid Flow in the Discrete Element Method. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 14 (3), 1005–1024. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2021.10.015.

27. Ma H., Zhao Y. (2018) CFD-DEM Investigation of the Fluidization of Binary Mixtures Containing Rod-Like Particles and Spherical Particles in a Fluidized Bed. Powder Technology, 336, 533–545. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.06.034.

28. Ma H., Xu L., Zhao Y. (2017) CFD-DEM Simulation of Fluidization of Rod-Like Particles in a Fluidized Bed. Powder Technology, 314, 355–366. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2016.12.008.

29. Feng Y. Q., Xu B. H., Zhang S. J., Yu A. B., Zulli P. (2004) Discrete Particle Simulation of Gas Fluidization of Particle Mixtures. AIChE Journal, 50 (8), 1713–1728. https://doi.org/10.1002/aic.10169.

30. Xiong Q., Choi H. S., Lan X., Wang S. (2022). Editorial: Recent Advances in Multiscale CFD Simulation of Pyrolysis. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 165, 105569.

31. de Munck M. J. A., Peters E. A. J. F., Kuipers J. A. M. (2023) Fluidized Bed Gas-Solid Heat Transfer Using a CFD-DEM Coarse-Graining Technique. Chemical Engineering Science, 280, 119048. https://doi.org/10.1016/j.ces.2023.119048

32. Berthiaux H., Mizonov V., Zhukov V. (2005) Application of the Theory of Markov Chains to Model Different Processes in Particle Technology. Powder Technology, 157 (1–3), 128–137. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2005.05.019.

33. Dehling H. G., Hoffmann A. C., Stuut H. W. (1999) Stochastic Models for Transport in a Fluidized Bed. SIAM Journal on Applied Mathematics, 60 (1), 337–358. https://doi.org/10.1137/s0036139996306316.

34. Berthiaux H., Mizonov V. (2008) Applications of Markov Chains in Particulate Process Engineering: A Review. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 82 (6), 1143–1168. https://doi.org/10.1002/cjce.5450820602.

35. Catak M., Baş N., Cronin K., Tellez-Medina D., Byrne E. P., Fitzpatrick J. J. (2010) Markov Chain Modelling of Fluidised Bed Granulation. Chemical Engineering Journal, 164 (2–3), 403–409. https://doi.org/10.1016/j.cej.2010.02.022.

36. Mitrofanov A., Mizonov V., Tannous K., Ovchinnikov L. (2016) A Markov Chain Model to Describe Fluidization of Particles with Time-Varying Properties. Particulate Science and Technology, 36 (2), 244–253. https://doi.org/10.1080/02726351.2016.1243180.

37. Zhuang Y., Chen X., Liu D. (2016) Stochastic Bubble Developing Model Combined with Markov Process of Particles for Bubbling Fluidized Beds. Chemical Engineering Journal, 291, 206–214. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.01.095.

38. Mizonov V., Mitrofanov A. (2020) Application of the Theory of Markov Chains to Model Different Processes in Particle Technology. Advances in Engineering Research. Nova Science Publishers. New-York, 2020. Vol. 33. P. 1–74. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2005.05.019.

39. Mitrofanov A. V., Mizonov V. E., Shpeynova N. S., Vasilevich S. V., Kasatkina N. K. (2021) Experimental and Theoretical Study of the Axial Distribution of Solid Phase Particles in a Fluidized Bed. Energetika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 64 (4), 349–362 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2021-64-4-349-362.

40. Tamir A. (1998) Applications of Markov Chains in Chemical Processes. Applications of Markov Chains in Chemical Engineering. Elsevier, 498–589. https://doi.org/10.1016/B978-044482356-4/50007-9.

41. Mizonov V., Mitrofanov A., Ogurtzov A., Tannous K. (2014) Modeling of Particle Concentration Distribution in a Fluidized Bed by Means of the Theory of Markov Chains. Particulate Science and Technology, 32 (2), 171–178. https://doi.org/10.1080/02726351.2013.839016.

42. Esin A., Altun M. (1984) Correlation of Axial Mixing of Solids in Fluidized Beds by a Dispersion Coefficient. Powder Technology, 39 (2), 241–244. https://doi.org/10.1016/0032-5910(84)85041-x.

43. Khan A. R., Richardson J. F. The Resistance to Motion of a Solid Sphere in a Fluid. Chemical Engineering Communications, 62 (1–6), 135–150. https://doi.org/10.1080/00986448708912056.

44. Nawaz Z., Xiaoping T., Wei X., Wei F. (2010) Attrition Behavior of Fine Particles in a Fluidized Bed with Bimodal Particles: Influence of Particle Density and Size Ratio. Korean Journal of Chemical Engineering, 27 (5), 1606–1612. https://doi.org/10.1007/s11814-010-0240-5.

45. Wu D., Gu Z., Li Y. (2015) Attrition of Catalyst Particles in a Laboratory-Scale Fluidized-Bed Reactor. Chemical Engineering Science, 135. P. 431–440. https://doi.org/10.1016/j.ces.2015.01.005.

46. Ghods N., Golshan S., Zarghami R., Sotudeh-Gharebagh R. (2019) CFD-DEM Modelling of Particles Attrition in Jet-In-Fluidized Beds. Chemical Engineering Research and Design, 148, 336–348. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.06.015.

47. Alonso M., Arias B., Fernández J. R., Bughin O., Abanades C. (2018) Measuring Attrition Properties of Calcium Looping Materials in a 30 kW Pilot Plant. Powder Technology, 336, 273–281. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2018.06.011.

48. Mitrofanov A., Mizonov V., Camelo A., Tannous K. (2019) Application of the Theory of Markov Chains to Theoretical Study of Processes in a Circulating Fluidized Bed. Particulate Science and Technology, 37 (8), 1032–1037. https://doi.org/10.1080/02726351.2018.1525459.


Рецензия

Для цитирования:


Митрофанов А.В., Василевич С.В., Стойко С.О. Расчетно-экспериментальное исследование закономерностей формирования кипящего слоя инертного керамзитового материала. Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2024;67(4):332-344. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-4-332-344

For citation:


Mitrofanov A.V., Vasilevich S.V., Stojko S.O. Computational and Experimental Study of the Patterns of Formation of a Fluidized Bed of Inert Haydite Particles Material. ENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations. 2024;67(4):332-344. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2024-67-4-332-344

Просмотров: 439


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1029-7448 (Print)
ISSN 2414-0341 (Online)