Fluid-dynamic Analysis of a Fluidized Bed Reactor

Abstract

In order to take advantage of the solid waste generated by the Colombian agricultural industry, the design of an experimental gasification unit at a laboratory scale using fluidized bed technology is proposed, the unit will allow testing of diverse residues under different operating conditions. In the present work, the methodology used for the basic design of the different components of this unit is presented. The design includes besides the reactor, the solids separation system and solids return system, as well as the biomass and bed material feeding systems and the heating system. In order to carry out the design of all sub-systems, methodologies from different authors have been adapted. The properties of the residual biomasses with the highest energy potential in Colombia were used as input data, thus analyzing the possibilities offered by the design in the use of different residual biomass and the generation of expected thermal energy. The design was delimited by the following requirements: gasification with air, semi-continuous operation, circulating configuration, fluidization regimes from bubbling up to fast, thermal power output of 10 kWth, possibility to gasify different types of residual biomass (of different chemical and physical properties), possibility to test different gasification temperatures. In order to study the fluid dynamics of the design, a cold model of size 1:1 with respect to the size of the pilot plant was constructed. Experimental tests were carried out in the cold model varying the solids inventory, fluidization velocity and solids recirculation rate, and carrying out pressure drop and solids circulation rate measurements. The onset of fluidization is independent of the bed height, nevertheless an influence in the fluid-dynamics of the bed due the weight was observed. At low velocity regimes is recommended not to use deeper beds because there is no adequate fluidization, therefore the contact efficiency might be low. In the cyclone, at high solids load the separation efficiency increases due to the formation of strand of solids which drag both the coarsest and the finest particles. The results allowed the improvement of the initial design and determine the operation window of the unit. The pilot unit is important for the development of thermochemical processes in fluidized beds in Colombia, as it opens the possibility for assessing the energy use of agricultural solid waste in such units.The experimental unit designed allows the use of different residual biomasses operating under different fluidization regimes from bubbling to fast, this is important because the unit will allow to evaluate the conversion efficiency for each biomass under different contact regimes, and in this way to select the most efficient regime to transform the biomass

Resumen: Con el objetivo de aprovechar los residuos sólidos generados por la industria agrícola colombiana, se propone diseñar una unidad experimental de gasificación de lecho fluidizado a escala de laboratorio es propuesto, la unidad permitir´a evaluar diferentes residuos bajo diferentes condiciones de operación. En el presente trabajo se presenta la metodología utilizada para el diseño básico de los diferentes componentes de esta unidad, dentro de los cuales se incluyen además del reactor, los sistemas de separación y retorno de sólidos, los sistemas de alimentación de biomasa y material de lecho, así como el sistema de calentamiento que provee la energía necesaria para la reacción. Para llevar a cabo el diseño de todos los sub sistemas, se han adaptado diferentes metodologías planteadas por varios autores. Las propiedades de las biomasas residuales con mayor potencial energético en Colombia fueron usadas como datos de entrada, de esta forma, se analizan las posibilidades que ofrece el diseño en el uso de diferentes biomasas residuales y la generación de energía térmica esperada. El diseño fue delimitado por los siguientes requerimientos: gasificación con aire, operación semi-continua, configuración de circulación, regímenes de fluidización desde burbujeante hasta rápido, potencia térmica de 10 kWth, posibilidad de gasificar diferentes tipos de biomasa residual. Para estudiar la fluidodinámica del diseño, se construyó un modelo frío con un tamaño 1:1 con referencia al tamaño de la planta piloto. Se realizaron pruebas experimentales variando el inventario de sólidos, la velocidad de fluidización y la tasa de recirculación de sólidos, realizando mediciones de caída de presión y tasas de circulación de sólidos. El inicio de la fluidización es independiente de la altura del lecho, sin embargo una influencia en la fluidodinámica del lecho debido al peso fue observada. En regímenes de baja velocidad se recomienda no usar lechos profundos porque no se produce una fluidización adecuada, por lo tanto la eficiencia de contacto podría ser baja. En el ciclón, bajo alta carga de sólidos la eficiencia de separación incrementa debido a la formación de caminos de sólidos, los cuales arrastran las partículas más gruesas y las más finas. Los resultados permitieron mejorar el diseño final y determinar la ventana de operación de la unidad.