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  • 8/12/2019 Gas Combustion in Shallow Fluidised Beds - Broughton

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    G A S C O M B U S T I O N I N S H A L L O W F L U I D I S E D B E D S

    J BROUGHTONDepartment of Mechanical Engineering, The University of Aston in Birmingham,Gosta Green, Birmingham B4 7ET Great Britain)

    SUMMARYC o m b u s t io n o f p r e m i x e d g a s a n d a i r i n s h a l lo w f l u i d i s e d b e d s i s d e s c r ib e d a n d s o me o fthe l imi t s s e t by gas ve loc i ty an d par t ic le s i ze are d i scussed .

    There i s a lower l im i t o f gas ve loc i ty be low w hich hea t t rans fer back to the d i s t r ibu torp la te causes excess ive preh eat l ead ing to pre - ign i t ion a nd to t empera tures w e l l abovethe equ i l ibr ium leve l . Th is cond i t ion can cause par t ic le s in ter ing an d , a t wo rs t ,d i s t r ibu tor fa i lure . A graph show ing a so lu tion o f the pro blem i s presen ted .

    I t i s shown tha t there is a lower l imi t to par t ic le s i ze , w hich depends upon the par t ic ledens i ty , be low w hich s tab le com bus t ion wi l l no t occur . Th is l imi t i s s e t when enough o ft h e g as ~a ir m i x t u r e b y p a s s e s t h e b e d w i t h o u t b u r n in g t o p r e v e n t t h e b e d f r o m r e a c h in gc o mb u s t i o n t e mp e r a t u re s . T h e e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t io n s a r e e x p l a i n e d i n t e r ms o f th et w o - p h a se t h e o r y o f f l u i d i s a t i o n b y p o s t u l a t i n g t h a t t h e f u e l w h i ch p a s se s t h r o u g h t h edense pha se o f the f lu id i sa t ion i s to ta l ly burn t , whi le tha t pass ing up through the bed inbubbles e i ther does no t reac t or reac t s too la te fo r i t s comb us t ion hea t to be t rans fer redto the bed.

    A q u a n t i t a ti v e mo d e l b a s e d u po n t h e se t w o a d - h o c a ss u mp t i o n s i s s h o w n t o p r o v i d ereasonable agree me nt w i th the observed resu l ts and poss ib le re f inemen ts o f the s impl i f i edtheory , to make i t more r igorous ly based , are ind ica ted .

    NOM ENCLATUREC p S p e c i fi c h e a t k J / k g KC ~ M e a n s p ec if ic h e a t o v e r a t e m p e r a t u r e r a n g e k J / k g KD n B u b b l e d i a m e t e r md r P a r t i c l e d i a m e t e r /~ mF R a d i a t i o n v i e w f a c t o r

    61Applied Energy (1) (197 5)- - Applied Science Publishers Ltd, England, 1975Printed in Great Britain

  • 8/12/2019 Gas Combustion in Shallow Fluidised Beds - Broughton

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    62 J. BROUGHTON

    fu F r a c t i o n o f f ue l u n b u r n tho H e a t t r a n s f e r c o e f fi c ie n t W / m KL B e d d e p t h mL, ,~ Bed de p th a t Uml mQ V o l u m e t r ic b u b b l e d e n s e p h a s e e x c h a n g e m 3 / sQ s H e a t f lu x t o d i s t r i b u t o r s u r f a c e W / m zT n B e d t e m p e r a t u r e KT ig F u e l i g n i t io n t e m p e r a t u r e KT o I n i ti a l g a s t e m p e r a t u r e KT s D i s t r i b u t o r s u r fa c e t e m p e r a t u r e KU 8 B u b b l e v e l o c i ty m / su S u p e r f i c i a l g a s v e l o c i t y m / su c C r i t ic a l g a s v e l o c i t y f o r f l a s h b a c k m / su m l M i n i m u m f lu i d is i n g v e l o c i t y m / sV 8 B u b b l e v o l u m e m 3X E x c h a n g e f a c t o r~B B u b b l e h o l d - u pP o G a s d e n s it y a t T o k g / m 3

    S t e fa n - B o l tz m a n n c o n s ta n t W / m 2 K 4

    1 N T R O D U C T I O N

    T h e l a s t d e c a d e h a s s e e n a la r g e d e v e l o p m e n t e f f o r t i n t h e f ie ld o f c o a l c o m b u s t i o ni n fl u id i s e d b e d s , b o t h o n p o w e r s t a t i o n a n d p a c k a g e b o i l e r sc a le s . ~,2 S i g n i f ic a n td e v e l o p m e n t s h a v e c o m e f r o m B r it ai n , 3 t h e U S A , 4 F r a n c e , 5 G e r m a n y , 6 C z e c h o -s l o v a k i a , 7 t h e U S S R 8 a n d A u s t r a li a . 9 A l a rg e n u m b e r o f c o a l t y p e s h a v e b e e nb u r n e d w i t h li tt le p r e t r e a t m e n t o t h e r t h a n s o m e cr u s h in g , a n d s u l p h u r r e t e n t i o n b yt h e a d d i t i o n o f l im e s t o n e t o t h e c o m b u s t i o n b e d s h a s b e e n s u c c e s s fu l lyd e m o n s t r a t e d . T h e d e v e l o p m e n t s h a v e b e e n r a p i d a n d h a v e o f t e n o u t s t r i p p e d t h es c ie n ce o f f l u i d i sa t i o n . F o r e x a m p l e , f u el m o v e m e n t a w a y f r o m i n j e c t io n p o i n t s h a so n l y r e c en t ly b e e n a d e q u a t e l y s o lv e d 1 , a n d t h e m e c h a n i s m s d e t e r m i n i n g c o a lc o m b u s t i o n h a v e o n l y r e c e n t l y b e e n s t u d i e d i n d e ta i l. ~

    T h i s e m p h a s i s o n c o a l c o m b u s t i o n h a s t e n d e d t o o v e r s h a d o w t h e m a n y o t h e rp o s s i b le e n g i n e e r in g a p p l i c a ti o n s o f f lu id b e d c o m b u s t i o n , t h e c o m b u s t i o n o f g as e sa n d o i l s h a v i n g b e e n l a r g e l y n e g l e c t e d .

    T h e i n t e r e s t i n o i l c o m b u s t i o n h a s c e n t r e d a r o u n d g a s i f i c a t i o n a n d M o s s h a sd e s c r i b e d a p r o c e s s i n w h i c h o il is s im u l t a n e o u s l y d e s u l p h u r i s e d a n d g a s if ie d , l zE l l io t t h a s d i s c u s se d s o m e o f th e a c t u a l a n d p o s s i b l e a p p l i c a t i o n s o f g a s - f ir e dc o m b u s t o r s o n a s m a l l s c a le , 13 s u c h a s c o n t r o l l e d a t m o s p h e r e m e t a l l u r g i c a lf u r n a c e s , d o m e s t i c c e n t r a l h e a t i n g u n i ts , r a d i a n t g a s fi re s a n d i n g a s t u r b i n e c y c l e s.

  • 8/12/2019 Gas Combustion in Shallow Fluidised Beds - Broughton

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    GAS COMBUSTION IN SHALLOW FLUIDISED BEDS 63T h e r e h a v e a l s o b e e n a n u m b e r o f d e v e l o p m e n t s in w a s t e i n c i n e r a ti o n i n f lu i di se db e d s . 14 T h i s p r o c e s s i s n o w w e l l e s t a b l i s h e d a s a m e a n s o f d i s p o s a l f o r o t h e r w i s ed i ff ic u lt t o p r o c e s s m a t e r i a l s a l t h o u g h v e r y f ew o f t h e d e s ig n s t o d a t e h a v e i n -c o r p o r a t e d h e a t r e c o v e r y . 15

    T a m a l e t h a s d e s c r i b e d a n o n - p r e m i x e d g a s - f i r e d c o m b u s t o r i n w h i c b t h e d i s -t r i b u t o r p l a t e is d e s i g n e d i n su c h a w a y a s t o o v e r c o m e t h e p r o b l e m o f p o o r g a sm i x i n g i n fl u id i s ed b e d s . 16 T h i s d e s i g n r e m o v e s t h e m i x i n g p r o b l e m r e p o r t e d b yZ a b r o d s k y a n d A n t o n i s h in w h o f o u n d t h a t b e d d e p t h s o f a l m o s t 150 m m w e ren e e d e d f o r c o m b u s t i o n i n a t e s t b u r n e r w h e r e t h e g a s e s w e r e n o t p r e m i x e d , w h i l el es s t h a n 4 0 m m s u ff ic e d w h e n t h e g a s e s w e r e p r e m i x e d . 17 H o w a r d r e p o r t s s o m el im i ts o f c o m b u s t i o n f o r p r o p a n e / o x y g e n / n i t r o g e n m i x t u r e s i n fl u id i se d b e d s 18 a n dB a s k a k o v e t a l . r e p o r t o n t h e u s e o f c a t a l y s t s t o i n c r e a s e t h e r i c h l i m i t, a s is n e e d e di n c a r b u r i s i n g f u r n a c e s . 19

    T h e w o r k d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r c o n c e r n s p r e m i x e d g a s e o u s c o m b u s t i o n i ns h a l lo w f l ui di se d b e d s a n d w a s c o n s id e r e d i m p o r t a n t b o t h o n t h e o r e t ic a l a n dp r a c t i c a l g r o u n d s . T h e o r e t i c a l l y b e c a u s e i t i s i n t e r e s t i n g t o s p e c u l a t e h o w s h a l l o wc a n a fl u id i se d b e d c o m b u s t o r b e , w h a t i s t h e c o m b u s t i o n m e c h a n i s m , a n d w h a t a r ei ts l i m i t a t i o n s ? P r a c t i c a ll y b e c a u s e t h e e c o n o m i c s o f f lu i d is e d b e d c o m b u s t i o ni n d ic a t e t h a t s h a l l o w b e d s s h o u l d b e u s ed w h e r e v e r p o ss i b le to m i n im i s e p u m p i n gc o s t s , th i s b e i n g a m a j o r c o n s i d e r a t i o n f o r a ll sc a le s o f e q u i p m e n t 13. T h e b e d d e p t hr e q u i r e d c a n b e s e t b y c o m b u s t i o n e f fi ci en c y o r b y p a r t i c u l a r p r o c e s s n e e d s , s u c h a sc o v e r i n g t h e o b j e c t u n d e r t r e a t m e n t a s i n a m e t a l l u r g i c a l f u r n a c e o r c o v e r i n g t h et u b e s i n t h e f l u i d i s e d b e d b o i l e r . T h e l a t t e r c o n s i d e r a t i o n w a s c e r t a i n l y a f a c t o r i ne a r l y c o a l -f i re d f lu i d is e d b e d b o i l e r d e s i g n s b u t m a y n o l o n g e r h o l d i f f in n e d t u b e sa r e u s e d a n d c o u l d w e ll b e e li m i n a t e d e n t i r e ly b y u s i n g t h e s o l id s c i r c u l a t io nt e c h n i q u e s d e s c r i b e d b y E l l io t t . 13

    GENERAL CONSIDERATIONS

    T h e r e is a w i d e r a n g e o f v a r i a b l e s t o b e c o n s i