고리형 유동층

Annular fluidized bed
유동화에 대한 기타 항목은 유동층 연소, 유동층 원자로, 유동층 및 유동화를 참조하십시오.
환상 유동층 단면도

유체화는 고체 미립자가 유체처럼 행동하도록 하기 위해 특정 조건에 놓이는 현상입니다.유동 침대는 유동화를 촉진하기 위해 고안된 시스템입니다.유동 침대는 화학 반응, 열 전달, 혼합 및 건조 등 다양한 용도로 사용됩니다.Outotec이 고안하고 특허받은 최신 개념인 "환 모양의 유동화 바닥은 고정된 유동화 노즐로 둘러싸인 큰 중앙 노즐로 구성됩니다."[1]

역사

  • 프리츠 윙클러는 1922년 석탄 가스화를 위해 최초의 유동층을 만들었다.
  • 융해된 침대의 다음 발전은 유기 오일의 촉매 분해를 위해 1942년에 생산된 순환 유동층이었다.
  • 마침내 1990년대 초에 환상 유동 침대가 개념화되었고 현재 사용법은 다음과 같다.[2]
  • 폐열보일러 시범공장(1992)
  • 순환식 직접 환원 플랜트(1996년)
  • 광석 예열기, 호주(2002년)
  • 모잠비크 일메나이트 로스터 저감(2005)

프로세스 특성

일반적인 고리형 유동층(AFB)은 큰 중앙 노즐 바닥에서 원자로로 들어가는 고속의 가스를 도입하고, 고리형 노즐 링을 통해 추가적인 유동화 가스를 도입한다.그 결과 혼합실의 고밀도 바닥부에서 가스와 고형물이 광범위하게 혼합되어 라이저 내에서 위쪽으로 흐른다.가스와 고체는 모두 라이저를 떠나 설정된 속도에 따라 사이클론에서 분리됩니다.분리된 가스는 백필터를 통해 흘러가고, 고형물은 다우너에서 아래로 이동하며, 이는 플랜트 바닥으로 공급되고, 다시 이 과정을 반복한다.

주요 컴포넌트

라이저 하단부는 고형물이 하단부에 쌓이지 않도록 좁혀져 있습니다.라이저 벽이 매끄러운 대신 일반적으로 멤브레인 수벽 표면으로 구성되며, 이 추가된 기능은 인근 고체 흐름 패턴에 영향을 미쳐 혼합 및 가스-고체 혼합에 영향을 미칩니다.라이저 출구는 두 가지 유형으로 나뉩니다. "Once through exits"는 출구가 부드럽게 커브되거나 테이퍼 모양으로 [3]되어 있어야 합니다.이 출구는 대량의 순순환을 가능하게 하며 짧은 균일한 체류 시간 및 빠르게 분해되는 촉매에 최적입니다.다른 출구는 "내부 환류 출구"로,[3] 원자로 상부에 도달하는 가스에서 내부로 유입된 고형물이 분리되는 갑작스러운 출구이다.사이클론은 고리 모양의 유동층에 필수적인 부분이며, 특정 크기의 입자는 공급 [1]가스의 속도를 변화시켜 분리됩니다.그 결과, 고속으로 가스는 유동층으로부터 입자를 분리하기에 충분한 운동 에너지를 제공한다.공급 가스와 작은 입자가 사이클론 분리기로 날아가고 거기서 공급 가스와 입자가 분리된다.또한 입자의 크기에 따라 입자를 침대로 되돌리거나 제거할 수 있습니다.유입된 고형물은 포획되어 수직 스탠드파이프를 [4]통해 라이저 베이스로 반송됩니다.큰 중앙 노즐은 고리형 유동 침대의 주요 구성 요소이며 다른 유동 침대와 차별화됩니다.중앙 노즐은 고정된 유동층으로 둘러싸여 있으며 "환의 중간 1차 가스 유동화로 인해 중앙 [1]노즐의 상단 모서리에 고형물이 넘쳐납니다." 고형물은 높은 상승 속도의 2차 가스 흐름을 통해 혼합 챔버로 운반되고 혼합됩니다.

흐름 방식

환상 유동 침대의 움직임에 대한 상단 뷰 및 측면 뷰 스케치

고리형 유동침대는 방사상으로 움직이는 특정 유형의 유동침대입니다.가스의 축방향 혼합은 비교적 적고 방사상의 움직임이 있습니다.고리형 유동층의 축방향 흐름 프로파일은 공장 높이를 따라 압력 강하에 의해 결정될 수 있으며, 이는 크게 세 부분으로 나눌 수 있다: 고리형, 바닥 및 혼합실의 상단.바닥의 높이에 근거해, 고환의 다공성이 고체에 가까운 최소 유동화 다공성을 가지는 한편, 바닥의 각 영역은 다른 압력 구배를 특징으로 한다.중앙 노즐에 가까울수록 압력 구배가 낮아지고 혼합 챔버의 압력 강하가 높아집니다.기존의 압력구배(δP/δH)를 사용하여 아래 표시된 와스 방정식을 사용하여 고체 농도를 계산할 수 있습니다.

〖(1-disc)_siscP=siscP/siscH(sisc_s-sisc_f)g

앤 콜린, 칼-에른스트 워스 및 마이클 스트로더가 [1]중앙 노즐 위 150mm 높이에서 실시한 환상 유동층에서의 흐름 패턴의 실험 특성에 따르면, 압력 구배는 작은 속도에 대해 약 0이며 속도가 증가할수록 증가한다.

플랜트 위 및 중앙[1] 노즐 위 높이

2개의 서로 다른 영역에서2가지 유형의 플로우가 표시됩니다. 중앙 노즐 바로 위의 흐름 패턴은 약 8%의 낮은 고체 농도와 높은 상승 고체 속도(3m/s)로 특징지어 높은 국소 고체 질량 플럭스를 발생시키는 전형적인 제트 프로파일을 보여줍니다.반면 혼합실 하단의 고리형 영역 주변은 "중앙 노즐 위의 100mm 프로브 높이에 대해 벽 쪽으로 값이 46% 증가하는" 고형분 농도가 특징입니다.고체 속도와 질량 플럭스는 하강이 예상되는 벽 영역 주변에서 양수입니다.그러나 측정된 속도는 높은 횡단 및 방사 혼합이 존재하는 영역의 실제 고체 속도를 정확하게 묘사하지 못할 수 있습니다.이는 캐패시턴스 프로브에 의해 수직 속도만 기록되기 때문입니다.따라서 계산된 고체 질량 플럭스는 항상 동일한 방향으로 고려되어야 한다.요약하면, 고리형 유동층 내에서 완전히 발달한 흐름 패턴은 코어-환율 구조를 나타내며, 이는 "혼합실 하단에 고형분 농도가 높은 영역으로 둘러싸인 중앙 제트의 전형적인 형성이 특징"이다.고리의 유동화 속도를 변화시키면 기포에서 더 많은 고체가 제거되고 대류 질량 플럭스가 제트 상승으로 침투할 수 있습니다.마지막에 제트에 통합될 수 있는 고체의 양은 가스 속도에 의해 결정됩니다.또,[1] 양기구의 상호작용에 의해, 플랜트내의 내부와 외부 고형물 순환의 비율을 조정할 수 있다.

중앙 노즐 위 높이 25mm

고리 내 가스속도는 기포에서 토출되는 고형물의 계산속도에 따라 달라지기 때문에 노즐 내 속도가 빨라진 고형물이 일정한 유동화 속도 하에서 중앙가스 제트에 침투하기 어렵다.노즐 위 25mm 높이에서 중심 속도를 증가시키면 시간 평균 고체 농도가 감소합니다.그러나 이 속도의 증가는 고리 위의 고체 농도에 영향을 미치지 않는다.한편, 낮은 중심 가스 속도의 경우, 고리 위 및 노즐 위에서의 고체 속도는 급격한 속도 구배와 거의 같은 값을 나타낸다.

중앙 노즐 위로 200mm 높이

순환 유동층의 흐름 패턴은 중앙 노즐 위 200mm의 프로브 높이에서 완전히 개발됩니다.이 높이에서 전형적인 농도는 벽을 향해 증가하며, 낙하하는 고체 속도와 결합하면 음의 고체 질량 플럭스가 발생한다.고체 농도 프로파일의 모양은 기체 속도에 의존하지 않지만 절대 농도는 일체형 고체 농도의 단면보다 낮다.그 결과, 플랜트 단면에 걸쳐 적분값으로 중앙 노즐의 가스속도가 높아짐에 따라 고체 질량 플럭스가 약간 감소한다.

고리형 유동층에서의 가스 속도의 영향

환상유동층에서의 가스속도 영향

중앙 노즐에 의한 가스 도입에 의해 발생하는 고리 모양의 유동층에서 기포가 발생하며, 일정한 속도로 일반적인 상향 방향으로 이동한다.중앙 노즐에서 갑자기 가스가 분출하면 입자가 기포[1] 웨이크에서 이동하게 됩니다. 고리의 속도를 높임으로써 기포 크기와 기포 속도가 증가합니다.버블 역학의 새로운 증가는 "배출된 고형물이 중앙 가스 [1]제트로 더 깊이 침투할 수 있게 한다."그 결과 고형물의 농도 및 속도가 증가하고 그 결과 고형 최적 질량 플럭스가 증가한다.

디자인 휴리스틱스

  • 응집성 입자와 1mm 이상의 큰 입자는 잘 유동화되지 않고 보통 다른 방법으로 [5]분리된다.
  • 최소 유동화 속도, 침대 팽창 속도, 최소 거품 속도, 침대 레벨 변동 및 해제 높이에 대한 대략적인 상관 관계가 만들어졌다.전문가들은 실제 설계는 모두 시험 플랜트 [5]작업에 기초할 것을 권장합니다.
  • "실제 운영은 최소 유동 속도의 두 배 이상에서 수행됩니다."[2]
  • 생성물은 고리 내 유동화 속도를 변화시킴으로써 극대화할 수 있으며, 기포에서 더 많은 고형물이 배출될 수 있으며 제트 안으로 침투할 수 있는 대류 질량 플럭스가 증가합니다.[1]

장점과 단점

중앙노즐을 통해 고속으로 가스를 도입하는 AFB의 특성에 따라 순환유동층의 [2]외부루프에 의해 침대상에 동등한 강도 높은 혼합존이 실현된다.AFB는 긴 고체 체류 시간과 우수한 열 및 물질 [1]전달의 장점을 결합하여 냉각, 가열 또는 열 회수 및 반응 촉진과 같은 열 교환 프로세스를 사용하는 데 이상적입니다.AFB는 다른 유동층 타입과 조합하여 공정을 지원하고 기존 특성을 더욱 강화하여 공정의 생산성을 높일 수 있습니다.

AFB 특성은 일부 용도에서는 매우 바람직하지만, 다른 용도에서는 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있으며, 이는 입자가 유동층을 떠날 필요가 없는 광석 로스터와 같은 짧은 체류 시간과 덜 강도 높은 혼합을 필요로 한다.중앙 노즐을 도입하면 부품 생산이 복잡해지고 추가 비용이 발생하므로 AFB 비용은 다른 유동 침대보다 높아집니다.AFB의 경우 컴포넌트가 추가되고 복잡해지기 때문에 유지보수의 빈도가 높아지고 유지보수도 비용이 높아집니다.중앙 노즐은 불필요한 입자가 노즐로 유입되어 막히기 쉽습니다.

AFB는 현재 프로세스의 효율성을 개선할 가능성이 있지만, 제약이 없는 것은 아닙니다.AFB는 최근 유동화 기술의 진보이기 때문에 이에 대한 체계적인 연구는 거의 이루어지지 않았으며, "소형 [1]및 대규모 유동층에서는 바닥 유체역학이 같지 않기 때문에" 글로벌 및 로컬 흐름 패턴을 특징짓는 것이 화학 엔지니어에게 어려울 수 있다.이 새로운 기술을 기존 발전소에 구현하는 것은 어렵고 비용이 많이 들 수 있다. 따라서 AFB의 구상 이후 발전된 것은 극히 일부에 불과하다.AFB 기술이 구현된 발전소는 거의 없지만, 완전한 산업적 응용이 실현되고 널리 활용되기까지는 아직 몇 년이 걸릴 수 있다.

적용들

고리형 유동층(AFB)은 다른 유동층 [2]타입과 함께 사용할 수 있기 때문에 광범위한 용도를 가질 수 있습니다.AFB는 높은 혼합으로 빠르고 효율적인 열 및 질량 전달을 필요로 하는 애플리케이션에 이상적입니다.이러한 용도는 건조기, 열교환기, 히터, 냉각기 및 원자로 등 다양하다.

이용 가능한 설계 및 새로운 개발

비교적 새로운 테크놀로지이지만, AFB의 업계에서의 사용은, 몇년간 서서히 증가하고 있습니다.이러한 예로는 유체화 기술 분야를 전문으로 하는 Outotec사가 있습니다.Outotec은 프로세스를 더욱 개선하기 위해 최신 플랜트 설계에 AFB 사용을 통합했습니다.AFB를 이용하는 Outotec의 현재 기존 플랜트에는 다음이 포함됩니다.[2]

  • 폐열보일러 시범공장, 1tpd
  • 순환 직접 환원 플랜트, 트리니다드 CAL, 1,500 tpd
  • 광석 예열기, HISmelt Corporation, 호주, 4,000 tpd
  • 일메나이트 로스터 저감, Kenmare Resources plc, 모잠비크, 1,200 tpd

주의: 회사가 고안한 Outetec The Circored, Circoheat 및 Circotherm 프로세스에 대해 얻은 사실과 수치는 이 유동 침대 기술의 적용 사례입니다.

  • 순환 - 철의 직접 감소를 위해 1990년대에 개발된 공정."순환 공정에서는 환원제를 위해 2단 순환 유동층/거품 유동층 원자로 구성을 적용하는 유일한 환원제로 수소를 사용합니다. AFB 기반의 플래시 히터를 사용하여 직접 철제 연탄 온도를 [2]낮춥니다."
  • 서코열 - 이 공정은 철광석을 850°C의 온도로 예열합니다.철광석은 순환 유동층에 도입되어 Hlsmelt 용융용기의 오프가스가 AFB를 통해 원자로에 도입된다.그런 다음 오프가스는 광석을 가열하기 위해 공기로 연소됩니다.
  • Outotec의 최신 개발 중 하나인 AFB의 핵심 시스템은 사이클론을 통한 열 회수 및 고체 회수에 사용된다.

Outotec의 예에서 볼 수 있듯이 고리형 유동화 침대는 다른 유동화 기술과 마찬가지로 다양한 용도로 사용될 수 있습니다.그러나, 이 분야에서의 최근의 발전이기 때문에, 그 잠재력은 아직 충분히 실현되지 않고, 산업용 응용 분야에서도 실현되지 않고 있다.

안전 및 환경 문제

공기 정화

AFB의 적용 중 하나는 공기 정화입니다.그것은 태양의 자외선을 이산화티타늄 촉매의 미세한 층으로 코팅된 실리카 겔 입자에 집중시키는 것으로 시작합니다.그러면 자외선은 이 입자들을 충전할 수 있다.이러한 양전하 입자와 음전하 입자는 다양한 화학 [6]반응을 일으킬 수 있습니다.오염된 공기가 중앙 노즐을 통과하여 유동층 안으로 들어가면 광촉매 입자와 접촉하는 오염물질이 입자 표면에 흡착됩니다.오염 물질은 양전하와 음전하와 반응하여 화학적으로 분해됩니다.그 결과 공기가 정화됩니다.

오프 가스

오프가스는 유동층에 연결된 사이클론 분리기에서 나오는 가스 제품입니다.가스가 깨끗하고 오염되지 않은 경우 응축기를 통해 냉각한 다음 여과하여 미세한 입자를 제거할 수 있습니다.필터 처리 후, 시스템에 다시 삽입하거나, 테이퍼로 잘라낼 수 있습니다.다양한 경우에 휘발성 가스 및/또는 유독 가스를 유동층용 공급 가스로 사용할 수 있다.운영에서 발생하는 오프 가스는 상당량의 가스를 포함할 수 있으므로 중화해야 한다.가스가 환경으로 빠져나가는 것을 허용하는 것은 온실가스를 발생시킬 수 있고 지역 동식물군에 독성이 있다.가스를 청소하는 것은 지속가능성을 높이고 환경에 대한 악영향을 감소시킨다.

미립자

유동층 입자는 공급 가스에 의해 공급되는 운동 에너지에 의해 운반된다.특정 속도에서는 미립자가 사이클론으로 날아가 연도 가스에서 분리될 수 있습니다.이러한 미립자는 시스템으로 되돌리거나 제거할 수 있습니다.이러한 입자를 제거하면 그 성질에 따라 환경에 악영향을 미칠 수 있으므로 주의하여 처리해야 합니다.

예를 들어 현재 모잠비크에서는 고리 모양의 유동층이 일메나이트 광석을 예열 및 환원하기 위해 사용되며, 일메나이트는 결정질 실리카가 폐섬유화를 일으키는 것으로 알려져 있으며, 이미 알려진 [7]발암물질이기 때문에 유해 화합물이다.이러한 장비 및 유해 물질을 취급하는 업체는 폐기물을 적절하게 처리해야 합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b c d e f g h i j k Collin, A.; Wirth, K.-E.; Stroeder, M. (2009). "Characterization of an annular fluidized bed". Powder Technology. 190 (1–2): 31–35. doi:10.1016/j.powtec.2008.04.090.
  2. ^ a b c d e f Outotec Fluidization Technology 2011, 2013년 10월 13일 참조, www.outotec.com
  3. ^ a b Grace, J.R. (1990). "High-velocity fluidized bed reactors". Chemical Engineering Science. 45 (8): 1953–1966. doi:10.1016/0009-2509(90)80070-U.
  4. ^ Son, S.M.; Kim, U.Y.; Shin, I.S.; Kang, Y.; Yoon, B.T.; Choi, M.J. "Analysis of gas flow behavior in an annular fluidized-bed reactor for polystyrene waste treatment". Material Cycles and Waste Management. 11 (2): 138–143. doi:10.1007/s10163-008-0226-0.
  5. ^ a b S.M. Walas 1990, 화학 공정 장비, 보스턴
  6. ^ DEM-솔루션 2011년 7월 11일, EDEM은 그린 테크놀로지에 박차를 가하고 있습니다.2013년 10월 12일, <http://www.dem-solutions.com/edem-gives-boost-to-green-technology/> 참조
  7. ^ 도랄 미네랄 샌즈 Pty.Ltd. 2007, Material Safety Data sheet ilmenite, 2013년 10월 12일 참조 <:"Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2013-04-09. Retrieved 2013-10-15.{{cite web}} CS1 maint: 아카이브된 복사본 제목(링크)>