Hydrodynamic properties and combustion characteristics have been studied in an internal and in a high velocity circulation fluidized beds. Hydrodynamic properties(pressure drop, bed voidage, bubble chord length, chord length distribution, rising velocity, volume fraction, local frequency, and solids circulation rate) have been determined in an internal circulating fluidized bed (0.4m$\times$0.2m$\times$1.5m high) with a partition plate and a high velocity circulating fluidized bed (0.1m ID$\times$1.9m high) combined with an auxiliary bed equipped with a standpipe with an L-valve for solids circulation. In addition, the combustion efficiencies and the heat transfer coefficient have been determined in an internal circulating fluidized bed coal combustor.
In the internal circulating fluidized bed, solids circulation rate increases with increasing orifice opening area (0.01$\sim$0.04$m^2$), the initial static bed height (0.5 and 0.6m) and superficial gas velocity in the fluidized (up to 0.635 m/s) and moving beds (up to 0.127 m/s) but, it decreases with increasing the partition plate height (0.55 and 0.65m). Pressure drop across an orifice opening increases with increasing the static bed height and gas velocity in the fluidized bed. Bed voidage in the fluddized bed increases with increasing gas velocity to the fluidized bed and the static bed height. However, it decreases with an increase in the gas velocity to the moving bed.
Solids circulation rate has been correlated as follows:
$Ws=0.22\times10^{-2}(D_o/d_p)^{0.97}(Fr_f)^{0.95}(Fr_m)^{1.09}(H_s/H_p)^{0.88}$
In the study of bubble properties in the internal circulating fluidized bed with a constant static bed height (0.6m) and orifice opening area (0.04$m^2$), the measured bubble chord length distribution has been represented by a logarithmic normal distribution. The measured bubble chord length, volume fraction and rising velocity of bubbles increase with the bed height(0.1$\sim$0.46m) and gas velocity to the fluidized bed(up to 0.572m/s). However, bubble chord length, volume fraction and local bubble frequency decrease with increasing gas velocity to the moving bed (up to 0.127m/s). The bubble chord length, volume fraction and rising velocity are lower at the bed wall region and exhibit a peak value at the dimensionless lateral distance of 0.5$\sim$0.8 and the peak moves to the center region of the bed with increasing the bed height. Rate of increase in bubble rising velocity increases with bubble size up to about 0.07m at which flow regime lies between the bubbly and slugging flows.
Bubble size in the fluidized bed has been correlated with the modified excess gas velocity and the bed height with solids circulation as:
$(U'-U_{mf})\,(D_e-D_{eo})+0.403g^{1/2}(D_e^{1.5}-D_{eo}^{1.5})=0.503(U'-U_{mf})h'$
In the study of hydrodynamic properties in a high velocity circulating fluidized bed, standard deviation of pressure fluctuation increases with an increase in gas velocity (up to 1.88m/s). However, in sharply decreases with further increase in gas velocity of about 1.5m/s of the fluidized bed. Bed voidage increases with gas velocity in fluidized bed. However, the increasing rate of bed voidage decreases with increasing gas velocity to the fluidized bed. Maximum expanded bed height of the fluidized bed increases with increasing gas velocity to the fluidized bed and the bed expansion cannot be estimated from the two phase theory. Solids circulation rate increases with increasing aeration gas flow rate (0.25$\sim$3.0 $m^3$/hr) to the L-valve and the effect of aeration to the L-valve on solids circulation is reduced at a higher aeration flow rate of 2. 7$m^3$/hr. Bed expansion of slugging bed has been correlated based on the two phase theory as:
$H_{max}/H_{mf}-1=\frac{U-U_{mf}}{0.281\sqrt{gD}}$
In a study of coal combustion characteristics in an internal circulating fluidized bed, the combustion efficiency in the fluidized bed increases with increasing bed temperature(700$\sim$900$^\circ$C), excess air ratio (0$\sim$30\%) and solids circulation arte (24.4$\sim$27.9 Kg/hr). Also, the overall combustion efficiency exhibits somewhat lower values (5$\sim$6\%) than that in the fluidized bed. Heat transfer coefficient between the fluidized bed and an immersed tube in the bed increases with increasing bed temperature. However, It has a maximum value at the gas velocity of 4.0$\sim$4.5 $U_{mf}$ and it decreases with a further increase in gas velocity (0.038$\sim$0.15 m/s) to the fluidized bed.
Combustion efficiencies have been correlated with the bed temperature and the gas velocity to the fluidized bed as:
i) Combustion efficiency in the fluidized bed,
$\eta=45.72\T_b^{0.13}\U_f^{0.06}$
and
ii) Overall combustion efficiency,
$\eta_{ov}=28.70T_b^{0.21}U_f^{0.10}$
Heat transfer coefficient between the bed and an immersed tube in the fluidized bed has been correlated with the dimensionless groups as:
$Nu_p=h_od_p/K_g
=1.108Re^{-0.36}Re_w^{0.34}\\Bigg[\Bigg(\frac{GD_t\rho_s}{\rho_g\mu}\cdot\frac{\mu^2}{d_p^3\rho_s^2g}\Bigg)^{0.59}+0.6944Fr_w^{0.89}\Bigg]Pr^{0.28}$
산업적으로 석탄의 연소 및 가스화와 촉매반응등 여러가지 공정에 널리 응용되고 있는 순환유동층 (Circulating Fluidized Bed : CFB)에서의 수력학적 특성 (압력강하, 층공극율, 기포 수직길이, 기포 수직길이 분포, 기포 상승속도, 기포 부피분율, 기포 빈도수, 입자 순환양) 과 연소특성 (연소 효율, 열전달 계수) 을 조사하였다.
본 연구에서 사용된 순환유동층은 i) 단면적이 0.4 m $\times$ 0.2 m, 높이가 1.5 m 이며, 층의 중심에 평판을 수직으로 삽입하여, 층을 두개로 분리하여, 입자들이 두 층사이에서 내부적으로 순환되는 내부순환 유동층 (Internal CFB) 과, ii) 직경이 0.1 m, 높이가 1.9 m 인 주탑 (main column) 과 단면적이 0.3 m $\times$ 1.0 m, 높이가 1.3 m 인 보조층 (auxiliary bed) 사이를 L-밸브를 통하여 입자들의 순환이 일어나는 고속 순환유동층 (High Velocity CFB) 이다.
내부 순환유동층에서 입자 순환양은 오리피스 (orifice) 의 면적 (0.01 $\sim$ 0.04 $m^2$), 초기 정지층 높이 (0.5, 0.6 m), 유동층 ($\sim$0.635 m/s) 과 이동층 ($\sim$ 0.127 m/s) 내의 기체 유속의 증가에 따라 증가하였지만, 분리판 (partition plate) 높이 (0.55, 0.65 m)의 증가에 따라 감소하였다. 오리피스를 통한 압력강하는 정지층 높이와 유동층내의 기체유속에 따라 증가하였다. 또한 유동층내의 층공극율은 유동층에 주입한 기체 유속과 정지층의 증가에 따라 증가하였다. 그러나 이동층에 주입한 기체 유속의 증가에 따라서는 감소하였다. 이상의 결과로 부터, 입자 순환양은 다음의 상관식으로 나타낼 수 있었다.
$W_s=0.22\times10^{-2}(D_o/d_p)^{0.97}(Fr_f)^{0.95}(Fr_m)^{1.09}(H_s/H_p)^{0.88}$
내부 순환유동층에서의 기포 물성 (bubble properties) 에 대한 연구는, 일정한 정지층 높이 (0.6 m) 와 오리피스 면적 (0.04 $m^2$) 에서 수행하였으며, 측정한 기포 수직길이 분포는 log-normal 분포로 잘표현될 수 있었다. 또한 측정한 기포 수직길이, 기포 부피분율, 기포 상승속도는 층높이 (0.1 - 0.46 m) 와 유동층에 주입한 기체유속 ($\sim$0.572 m/s) 의 증가에 따라 증가하였다. 그러나 기포 수직길이, 기포 부피분율, 기포 빈도수는 이동층에 주입한 기체유속 ($\sim$ 0.127m/s) 의 증가에 따라 감소하였다. 또한 기포 수직길이, 기포 부비분율, 기포 상승속도는 층의 벽부근에서는 낮은값을 보였으며, 층의 중심으로 부터 층과 벽사이의 거리비의 0.5 $\sim$ 0.8 부근에서 최대값을 보이고, 이 최대값은 층높이가 증가함에 따라 층의 중심으로 이동하였 다. 기포 상승속도의 증가율은 기포 크기 (기포 상당직경) 가 약 0.7 m 까지 증가 하였으며, 이때 층내의 흐름영역 (flow regime) 이 기포영역과 슬러깅 (slugging) 영역사이에 존재하는 경계이다. 기포 크기에 대한 본 연구의 결과는 기존의 연구결과들을 토대로하여, 입자 의 순환을 고려한 수정된 과잉 기체유속과 층높이에 의하여 다음의 관계식으로 표현될 수 있었다.
$(U'-U_{mf})(D_e-D_{eo})+0.403g^{1/2}(D_e^{1.5}-D_{eo}^{1.5}) =0.503(U'-U_{mf})h'$
고속 순환유동층의 수력학적 특성에 대한 연구에서, 압력변동의 표준편차는 기체유속에 따라 증가하였다. 그러나 기체유속을 약 1.5 m/s 까지 증가시켰을때 급격히 감소하였다. 층공극율은 유동층에 주 입한 기체유속에 따라 증가하였지만, 층공극율의 증가율은 기체유속의 증가에 따라 감소하였다. 또한 유동층의 최대 층팽창 높이는 기체유 속이 증가함에 따라 하였으며, 이때의 층팽창은 유동층의 2상 이론 (two-phase theory) 에 의하여 추산될 수 없었다. 입자 순환양은 L밸브에 주입한 기체유량 (0.25 $\sim$ 3.0 $m^3$/hr) 에 증가하였으나, 2.7 $m^3$/hr 의 기체유량에서는 감소함을 보였다. 슬러깅 층에서의 층팽창 은 기존의 연구자들이 제시한 관계식들을 기초로하여, 다음의 관계식 으로 표현될 수 있었다.
$H_\max/H_{mf}-1=\frac{U-U_{mf}}{0.281\sqrt{gD}}$
내부 순환유동층 연소로의 석탄 연소 특성에 대한 연구에서, 유동층에서의 연소 효율은 층 온도 (700 $\sim$ 900 $^\circ$C), 과잉 공기비 (0 $\sim$ 30 %), 입자 순환양 (24.4 $\sim$ 27.9 kg/hr) 의 증가에 따라 증가하였다. 또한, 총괄 (overall) 연소 효율은 층내의 연소 효율보다 다소 낮은값 (5 $\sim$ 6\%) 을 보였다. 유동층과 층내의 전열관사이의 열전달계수는 층온도에 따라 증가하였다. 그러나 유동층에 주입한 기체유속이 최소 유동화 속도의 4.0 $\sim$ 4.5 배 에서 최대값을 보이며, 기체유속 (0.038 0.15 m/s) 이 더욱 증가시켰을때 감소하였다. 이상의 결과로 부터, 연소 효율은 층온도와 유동층에 주입한 기체유속으로 다음의 상관식으로 나타낼 수 있었다.
i) 유동층내의 연소 효율,
$\eta=45.72\T_b^{0.13}U_f^{0.06}$
ii) 총괄 연소 효율,
$\eta_{ov}=28.70\T_b^{0.21}U_f^{0.10}$
또한, 유동층과 층내의 전열관사이의 열전달 계수는 무차원 군으로 다음의 상관식으로 나타낼 수 있었다.
$Nu_p=h_od_p/k_g=1.108Re^{-0.36}Re_w^{0.34}\Bigg[\Bigg(\frac{GD_t\rho_s}{\rho_g\mu}\cdot\frac{\mu^2}{d_p^3\rho_s^2g}\Bigg)^{0.59}+0.6044Fr_w^{0.89}\Bigg]Pr^{0.28}$
