Dynamics in a Circulating Fluidized Bed: Experimental and Numerical Study

Abstract

Leijupetikattila on erityisesti biopolttoaineiden polttoon kehitetty lämpövoimaloiden kattilatyyppi. Leijupetikattilan palotilassa on kiinteitä partikkeleja, joita leijutetaan alapuolelta pumpatulla polttoilmalla. Reaktorissa olevat partikkelit tehostavat sekoittumista ja tasaavat lämpötilan vaihteluja. Tämä mahdollistaa päästöjen alentamisen ja laajemman polttoainevalikoiman. Tämä on erityisen tärkeää käytettäessä biopolttoaineita, joiden laatu voi olla hyvin vaihteleva.

Partikkelit ja polttoilma muodostavat leijupetikattilaan fysikaalisesti huomattavan monimutkaisen kaksifaasivirtauksen, jonka mallintaminen on hyvin vaativaa. Nykyään leijupetejä simuloidaan ajasta riippuvilla simulaatioilla, mutta laskennallisesti ne ovat hyvin raskaita virtauksen epävakaan luonteen vaatimista pitkistä keskiarvotusajoista johtuen. Kattiloiden suorituskyvyn parantaminen vaatii tietoa partikkelien liikkeestä ja jakautumisesta. Täten on olemassa tarve nopealle, aikakeskiarvotetulle simulointimenetelmälle, joka soveltuisi teollisuuden suunnittelukäyttöön.

Työ keskittyy partikkelien dynamiikkaan reagoimattomassa pilottikoon kiertoleiju- pedissä, mitä tarkastellaan sekä mittausten että numeerisen mallinnuksen avulla. Tutkittavan laitteen koko sallii nopeiden kaksiulotteisten simulointien ja kehittyneiden kuvaan perustuvien mittausmenetelmien käytön, joka ei olisi mahdollista teollisen mittakaavan laitteessa. Mittausten tavoitteena on tuottaa yksityiskohtaista tietoa partikkelien liikkeestä ajasta riippuvien ja aikakeskiarvotettujen simulointien validointiin ja malliparametrien määrittämiseksi.

Virtaussimuloinneissa on käytetty ajasta riippuvaa Euler-Euler -kaksinestemallia. Tavoitteena on ollut selvittää OpenFOAM-nimiseen vapaan lähdekoodin kirjastoon perustuvan virtausratkaisijan soveltuvuutta leijupetien mallinnukseen. Ohjelman julkinen levitysversio sisältää tarkoitukseen mahdollisesti soveltuvan ratkaisijan ja lähes kaikki tarvittavat mallit. Ratkaisijaa testattaessa kuitenkin paljastui, että merkityksellinen kiertoleijun simulointi vaatii OpenFOAMin ratkaisijan muokkaamista. Ongelmat liittyivät pääasiassa ratkaisijan käyttäytymiseen suurilla partikkelien tilavuusosuuksilla, erityisesti käytettäessä kineettiseen teoriaan perustuvaa partikkeli-partikkeli -vuorovaikutusmallia. Ongelmat ilmenivät ratkaisujen epäfysikaalisina tilavuusosuuksina sekä ratkaisijan yleisenä epävakautena.

Ongelmien poistamiseksi ratkaisijaan on tehty muutoksia. Kineettisen teorian partikkelien tilavuusosuutta rajoittavan termin, kitkapaineen (engl. frictional pressure), käsittely on muutettu implisiittisemmäksi. Partikkelien tilavuusosuuden siirtoyhtälölle on lisätty adaptiivinen alirelaksointi sekä sen ajasta riippuvassa ratkaisijassa vaatimat lisäiteraatiot. Näillä muutoksilla ratkaisijan vakaus parantui, mutta käytetty kitkapaineen käsittely mahdollisti sen toimimisen epäfysikaalisena liikemäärälähteenä. Tästä johtuen ratkaisija ei ollut edelleenkään kyllin vakaa. Ongelman ratkaisemiseksi on kehitetty algoritmi rajoittamaan kitkapaineen suuruutta hetkellisesti ja laskentaelementeittäin. Rajoitin perustuu kitkapaineen tuottaman vuon ja muun virtauskentän vertailuun. Muutosten jälkeen ratkaisija on osoittautunut tulosten, nopeuden, vakauden ja rinnakkaistumisen osalta kilpailukykyiseksi.

Numeeriseen vakauden parannuttua oli mahdollista keskittyä tarvittaviin fysikaalisiin malleihin. Niiden osalta ratkaisijaan on lisätty suodatettuihin liikemääräyhtälöihin perustuva alihilaturbulenssimalli, kaksi partikkelivirtausmallinnuksessa yleisesti käytettyä reunaehtoa sekä muutamia alimalleja kineettiseen teoriaan.

Sakean suspension mittauksissa valon läpäisykyky on usein rajoittava tekijä. Siten laitteen litteästä, lähes kaksiulotteisesta geometriasta johtuen kuvausmenetelmäksi on valittu varjokuvantaminen. Tällöin partikkelivirtausta kuvataan vastavaloon ja partikkelit näkyvät kuvissa varjoina. Kuvaan tallennettu valon intensiteetti kuvaa suspension läpäisemän valon määrää. Tällöin partikkelien paikallista ja hetkellistä tilavuusosuutta voidaan arvioida korreloimalla kuvan harmaasävyjä tilavuusosuuksien kanssa. Menetelmän heikkoutena on tarkkuus suurilla partikkelien tilavuusosuuksilla, jolloin valo ei juuri läpäise suspensiota.

Työssä tarkastellaan kahta partikkelien nopeuksien määritykseen soveltuvaa menetelmä. Particle Image Velocimetry (PIV) on partikkelikuvien tilastolliseen korrelointiin perustuva menetelmä, joka antaa partikkelien todennäköisimmän nopeuden mittaustilavuudessa. Menetelmän hyviä puolia ovat varmatoimisuus ja soveltuvuus laajalle skaalalle suspension tiheyksiä. Toinen tarkasteltu menetelmä on Particle Tracking Velocimetry (PTV), jossa tunnistetaan kuvista yksittäisiä partikkeleita ja määritetään niiden nopeudet. Menetelmän vahvuuksia ovat paras mahdollinen paikkaresoluutio, mahdollisuus partikkelien koon ja muodon määrittämiseen sekä se, että jokainen nopeus vastaa todellista partikkelia. Partikkelien tunnistaminen on kuitenkin algoritmisesti haastavaa, joten nopeuksien määritys on laskennallisesti hidasta verrattuna PIV:iin. Tämä korostuu erityisesti kiertoleijun kaltaisissa sakeissa suspensioissa. Tästä johtuen menetelmä soveltuu vain harvan suspension alueille. Tässä diplomityössä partikkelien nopeuksien määritykseen on käytetty PIV-menetelmää. PTV-menetelmiä on kehitetty ja validoitu, mutta sovellettu ainoastaan partikkelien kokojakauman määritykseen erillisestä näytteestä.

Mittauksia suoritettiin kahdella eri mittausalalla, jotta sekä suuren että pienen skaalan ilmiöt saatiin mitattua. Suurempi mittausikkuna kattoi koko nousuputken leveyden. Tällöin on mahdollista tutkia partikkeliklusterien kehitystä ja vuorovaikutusta, mutta yksittäisten partikkelien havainnoiminen on mahdotonta eikä nopeuden määrityksen paikkaresoluutio riitä jyrkimpien nopeusgradienttien mittaamiseen. Suuri mittausalue sallii nousuputken nopeuksien ja tilavuusosuuksien määrityksen laajalta alalta, antaen hyvän yleiskuvan virtauksesta. Suuresta mittausalasta johtuen valaisuun on käytetty loisteputkia.

Pienempi mittausalue oli kooltaan 40x30 mm, joka salli valaisemisen pulssitetulla diodilaserilla. Tällöin yksittäiset partikkelit erottuvat selvästi, eikä liike-epätarkkuutta esiinny. Näistä hyvälaatuisista kuvista nopeuden 1,65 mm suuremmat skaalat voidaan mitata tarkasti, lukuun ottamatta sakeimpia alueita, joilla valo ei mitattavasti läpäise suspensiota. Tarkka nopeuksien määritys ja kuvan harmaasävystä korreloitu, yhtäaikainen tilavuusosuuden määritys sallii tilavuusosuuspainotettujen keskiarvojen ja Reynoldsin jännitysten laskennan. Kyseiset suureet ovat tärkeitä aikakeskiarvotetulle mallinnukselle.

Kuvausmenetelmä, jossa yksittäiset partikkelit ovat eroteltavissa, sallii myös partikkelien mittaustilavuutta pienemmän skaalan satunnaisen liikkeen tilastollisen määrityksen PIV-korrelaation tulosten perusteella. Dijkhuizen et al. (2007) ehdottamaa menetelmää sovellettiin partikkelien varjokuviin. Menetelmä implementoitiin MATLAB-ympäristöön yhdessä PIV-algoritmin kanssa ja validoitiin synteettisillä partikkelikuvilla.

Mittaukset ja simuloinnit suoritettiin kahdella eri leijutusnopeudella. Partikkelien keskinopeuksille ja -tilavuusosuuksille esitetään simuloituja ja mitattuja tuloksia. Lisäksi esitetään mittaustuloksista lasketut arvot tilavuusosuuspainotetulle partikkelien keskinopeudelle, Reynoldsin jännityksille sekä partikkelien pienen skaalan satunnaisen liikkeen energialle. /Kir09

The introduction of particles to create a fluidized bed combustor increases mixing and reduces temperature fluctuations, allowing emission reduction and a wider range of fuels. The particles and combustion air create a complicated gas-solid multiphase flow. Mathematical modelling of such flows is very challenging and the simulations require considerable computational capacity. Improving the performance of fluidized bed combustors requires knowledge of the particle motion in the reactor. As a result there is a need for a quick, time-averaged simulation method that could be used as a design tool in the industry.

This thesis concentrates on the particle dynamics of a non-reacting, pilot-scale Circulating Fluidized Bed (CFB). The particle motion was studied by applying image based measurements and transient computer simulations with the Eulerian two-fluid approach. The goal for the measurements was to provide detailed information about the particle behaviour for the validation of transient and time-averaged simulations, and for modelling parameter definition.

For the simulations, the goal was to evaluate the feasibility of using a solver based on the OpenFOAM open source code library to simulate circulating fluidized beds. Meaningful simulation of the pilot-scale CFB required modification of the Eulerian multiphase solver included in the public OpenFOAM release. The results, speed, stability and parallel efficiency of the modified solver were found to be competitive.

Shadowgraphy was the illumination method of choice for the measurements. Local and instantaneous particle volume fractions were determined by correlating the grey-scale values of the recorded images. Particle velocities were measured with the Particle Image Velocimetry (PIV) method based on a statistical determination of the particle displacement from the images. For the particle small-scale random motion a method based on change in the PIV-correlation peak width was used. The method was implemented – together with a PIV algorithm – in MATLAB. Particle Tracking Velocimetry (PTV) methods for the measurement of individual particle properties were reviewed, developed and validated, but were only applied to the measurement of particle size distribution from a separate sample.

Results are presented for simulated and measured particle mean velocities and volume fractions, as well as for the measured standard deviation values, the volume fraction weighted mean particle velocities, the Reynolds stresses and the particle small-scale random motion.