Combustion characteristics in the fluidized bed combustor are essential for design of a combustor or optimization of operation. It has been thought to be impossible to successfully estimate the combustion characteristics of a fuel from basic characteristics data. An authentic model is needed for estimation of the combustion time and decision of the combustion efficiency from the combustion reactivity data.
Combustion characteristics of solid waste fuels (wood, paper sludge, sewage sludge, RDF) are investigated in a laboratory scale fluidized bed combustor. A nearly single particle combustion environment is reproduced in the fluidized bed and the progress of reaction is observed by determining the carbon conversion rate, overall recovery of carbon in the gas phase, and the mean conversion time, which are determined by measuring the gas phase carbon containing species, namely CO, $CO_2$ and $C_xH_y$ at the exit of the combustor. The aims are to determine the influence of the operating parameters and the fuel characteristics on the pyrolysis and combustion processes of the fuel. The parameters are bed temperature, air flow rate, oxygen concentration, moisture content, and the size of particle. The particle combustion process can be divided into three significant stages; moisture evaporation, devolatilization, and char combustion. All the processes are governed by the heat-up process of the particle. The results also show a weak effect of oxygen concentration and flow rate on the devolatilization. But their remarkable effect on char combustion is observed. Bed temperature, size and water content affect the processes of particle combustion to some extent. Drying and devolatilization occur in parallel during the initial phase but char combustion takes place either in parallel or in series depending on the fuel type.
The fraction of the volatiles burnt in the freeboard is estimated by applying calorimetric method for the steady state combustion of the fuel, in a semi-pilot-scale FBC. The fractions of volatiles burnt above the bed linearly increase as the excess air level decreases at a bed temperature of 850 to 980℃. In this range of temperature, mixing of volatiles and oxygen in the bed are the main parameters of volatile combustion in the fluidized bed.
A dynamic simulation model of a single fuel particle has been developed to describe the behavior of a single fuel particle during its lifetime in a FBC. The model considers drying, devolatilization, volatile and char combustion, external and internal heat and mass transfer, varying the fuel properties. Calculated temperature profiles in the fuel particle and emission data are in good agreement with experimental observations.
A fluidized bed model combined with the particle combustion model is developed to take volatile combustion in a FBC into account. Combustion of volatiles within the FBC is important, because it is expected to influence the pollutant formation and emission characteristics as well as temperature distribution. In this model, hydrodynamic description of the bubbling fluidized bed is based on the three-phase model. The amount of volatile release is estimated from the single fuel particle model. This system model describs the volatile combustion ratio between the bed and the freeboard, and consequently the heat-release which are very important in operating and designing a FBC consuming a high volatile waste fuel.
가연분의 대부분이 휘발분인 고체 폐기물의 소각에서 탈휘발 과정과 휘발분의 연소 과정에 대한 정보는 고체 폐기물 연소로를 설계하고 운전하는 데 있어 매우 중요하다.
고체 폐기물(나무, 제지 슬러지, 하수 슬러지, RDF)을 대상으로 하여 열분해/연소 특성을 실험적으로 조사하기 위해 실험실 규모 유동층 연소로를 제작하였다. 시험 유동층 베드에서 단입자 유동층 연소조건을 재현하였고 연료 입자의 반응 과정을 관찰하였다. 가스상으로 배출되는 CO, $CO_2$, $C_xH_y$ 농도를 연소실 출구에서 연속적으로 측정하여 탄소 전환 속도, 총 탄소 회수율, 평균 탄소 전환 시간 등을 결정하였다. 600 ~ 800℃의 온도범위에서 등온으로 유지되는 유동층 연소조건에 지름이 수 cm 인 연료 입자를 투입하였고 입자의 반응 과정을 건조, 탈휘발, 촤 연소로 구분하여 반응 특성을 확인하였다. 전체 연소 과정과 단위 과정에 영향을 주는 주요 인자를 연료 특성과 연소 조건으로 나누어 결정하였다. 연료의 수분함량 변화가 연소 과정에 미치는 영향을 살펴보았고, 입자의 크기가 반응에 미치는 영향을 평가함으로써 입자의 크기가 분쇄에 의해 작아지는 효과를 확인하였다. 온도와 유동화 공기 유량, 산소 농도를 변화시켜 운전 조건의 변화가 입자 연소 특성에 미치는 영향을 관찰하였다.
휘발분의 프리보드 연소율에 대한 자료를 얻기 위해 연속 운전 방식의 준 파일롯트 규모 유동층 연소로를 제작하였고 휘발분 연소율은 베드와 프리보드에서 수행된 열 및 물질 정산을 통해 결정하였다. 휘발분의 프리보드 연소율은 과잉공기가 증가하면서 선형적으로 감소하였다. 이것은 실험 조건 온도 (850에서 980℃) 에서는 베드에서의 산소 농도와 기체 혼합이 휘발분 연소 과정을 지배한다는 것을 의미한다.
단일 입자의 연소 과정을 모사하기 위해 단 입자 연소 모델을 개발하였다. 이 모델은 건조, 탈휘발, 촤연소, 물질 및 열 전달 그리고 입자 물성치 변화 등을 고려한다. 모델을 적용하여 얻은 입자 내부 온도 분포와 입자의 반응 과정 모사 결과는 실험 결과와 일치하였다.
유동층 시스템 모델과 단 입자 연소모델을 결합함으로써 두 시스템의 상호 작용을 고려할 수 있는 모델을 개발하여 입자 특성과 운전 조건의 변화가 유동층 연소 상황에 미치는 영향을 평가할 수 있었다.
실험과 해석을 통해 확인된 연료의 연소 특성이 유동층 설계에 있어서 갖는 의미를 평가하고 연소 특성을 고려한 설계 방안을 제시하였다.
