Akademik Veri Yönetim Sistemi
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Marmara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2017
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: SERHAT GÜL
Danışman: EMRE ALPMAN
Özet:AKIŞKAN YATAKLI GAZLAŞTIRMA İŞLEMİNİN SOĞUK VE SICAK SİSTEMLER İLE DENEYSEL VE TEORİK OLARAK İNCELENMESİ Stabil katı dolaşımı, dolaşımlı akışkan yataklı sistemler için büyük bir önem arz etmektedir. Dolaşımlı akışkan yataklı sistemlerde katı dolaşımının stabil şekilde sağlanması için, geri dönüş ayağında ters gaz akışını önlemek için basınç bariyeri/direnci olması gerekmektedir. Konvansiyonel sistemlerde, döngü kilidi veya L, J, V vanaları basınç bariyeri olarak kullanılmaktadır. Konvansiyonel sistemlerde, özellikle döngü kilitlerinde, operasyon, reaktör içerisindeki basınç dalgalanmalarına karşı çok hassastır ve basınç bariyerinin anlık şekilde kırılması sonucunda operasyonun durdurulması gerekmektedir ve döngü kilidinin tekrar yeni yatak malzemesi ile doldurulması gerekmektedir. Önerilen yeni konseptte, dolaşımlı akışkan yataklı sistemin geri dönüş ayağında ejektör sistemi kullanılmıştır. Gerekli olan basınç bariyeri, basınçlı ve yüksek hızlı gazın geri dönüş ayağına paralel şekilde yerleştirilen ejektör püskürtme borusundan püskürtülmesi ile elde edilmektedir. Ejektör sistemi temel olarak Venturi etkisi prensibine dayanmaktadır. Ejektör püskürtme borusundan hava, su buharı, azot veya herhangi bir gaz akımı püskürtülebilir. Bu çalışmada, ejektör tipinde katı dolaşımının sağlanmasının daha stabil olduğu iddia edilmektedir ve herhangi bir operasyon kesintisinde yatak malzemesi olmaksızın tekrar operasyona devam edebilmektedir. Bundan dolayı kesintisiz operasyon süresi daha uzun olmaktadır. Bahsedilen ejektör sistemi ile katı dolaşımının sağlandığı dolaşımlı akışkan yataklı sistemlerde, ejektör itici gazı debisine ve geri dönüş ayağındaki katı akısına bağlı olarak 2 farklı operasyon durumu gözlenmiştir. Birinci operasyon durumunda, düşük katı akısından dolayı geri dönüş ayağında herhangi bir katı birikimi olmamaktadır. Basınç bariyeri, yüksek hızlı püskürtülen ejektör itici gazının momentumunun, geri dönüş ayağındaki düşük hızlı gaza transfer edilmesi ile sağlanmaktadır ve bu durum ejektör sistemi boyunca basınç farkı oluşmasını sağlamaktadır. İkinci operasyon durumunda, geri dönüş ayağındaki göreceli olarak yüksek katı akısından dolayı ejektör sisteminin hemen üzerinde katı birikimi olmaktadır. Ejektör püskürtme borusunun çıkışındaki yüksek hızlı gaz, ejektör püskürtme borusu çıkışının hemen altında halka şeklinde girdaplar meydana getirmektedir. Bu girdaplar katı akışına karşı bir direnç oluşturmaktadır. Ejektör itici gazının hızı artırıldığında oluşan girdapların şiddeti artmaktadır ve katı akışına karşı direnç artmaktadır. Ejektör gaz hızı belirli bir seviyeye kadar artırıldığında, ejektörün hemen üst bölgesinde akışkan olmayan ama yavaş bir şekilde aşağı yönlü hareket eden bir katı sütunu oluşmaktadır. Bu noktada, oluşan katı sütunun yüksekliği ejektör püskürtme borusu gaz çıkış hızı ile kontrol edilmektedir (ejektör itici gaz debisi ile). Ejektör sistemi ile birlikte oluşan katı sütunu basınç bariyeri olarak çalışmaktadır. Birinci operasyon durumundan farklı olarak, gerekli olan basınç farkının bir kısmı oluşan katı sütunu ile sağlandığından dolayı gerekli ejektör itici gazı debisi önemli derecede azalmaktadır. Bu çalışmada, ejektör sistemi için istenilen tasarım ve operasyon şartları (maksimum basınç farkına karşılık minimum yüksek basınçlı gaz debisi) aranmıştır. Bahsi geçen iki farklı operasyon durumu dolaşımlı akışkan yataklı soğuk sistem (94 mm iç çapında ve 7800 mm yüksekliğinde) ile incelenmiştir. Deneysel çalışmalara ilave olarak ejektör sistemi, temel geometrik ve operasyon parametrelerinin, oluşturulan basınç farkına etkilerini incelemek üzere hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli ile analiz edilmiştir. Ayrıca, ejektör performansını tahmin etmek üzere hesaplamalı akışkanlar dinamiği sonuçları ile kıyaslanabilir yeni bir yarı-ampirik metot önerilmiştir. Son olarak soğuk sistem ile aynı geometrik ölçülere sahip dolaşımlı akışkan yataklı gazlaştırma reaktöründe ejektör sistemi test edilmiştir. ABSTRACT EXPERIMENTAL AND THEORETICAL INVESTIGATION OF FLUIDIZED BED GASIFICATION WITH COLD AND HOT SYSTEM Stable solid circulation is of utmost importance in circulating fluidized bed operation. In order to maintain stable solid circulation at circulating fluidized bed systems, there should be a pressure barrier/resistance between riser and the downcomer for the purpose of avoiding reverse gas flow through the downcomer. In conventional systems, loop seals, L, J, V valves are used as pressure barriers. In conventional circulation methods especially for loop seals, operation is very sensitive to the pressure fluctuations inside the riser and if the pressure barrier is broken, the operation has to be stopped to re-charge the loop seal with the new bed material. Within the proposed novel concept, an ejector system is used at the downcomer of the CFB reactor. The pressure barrier is provided with the pressurized high speed gas flow through the ejector nozzle exit placed parallel to the downcomer which is mainly based on Venturi effect principle. Gases which can be air, steam, nitrogen or any other gas streams flow through the ejector nozzle exit. It is claimed that the operation of the ejector type circulation is more stable and in case of an interruption, it can be rebuilt operation whether there is bed material or not. Therefore the latter appears to increase uninterrupted operation time. For CFB systems with that ejector type circulation, there appear 2 different cases which are the function of gas velocity and solid flux through the downcomer. In the first case, there is no solid accumulation through the downcomer because of the low solid flux. The pressure barrier is obtained by the momentum transfer of high speed gas flow at ejector nozzle exit to the low speed gas flow at downcomer which causes the pressure difference through the ejector system. In the second case, there is solid accumulation just above the ejector system because of relatively higher solid flux through the downcomer. High speed gas flow through the ejector nozzle exit causes severe vortices just below the nozzle exit which is torus in shape. These vortices cause resistance to the flow of solid particles. If the velocity of the motive gas is increased, the severeness of the vortices is increased and the resistance to the solid particle flow is increased. At some point of motive gas velocity, solid column is formed just above the ejector which is not fluidized and moving quite slowly to the reactor. At that point, solid column height is controlled by the nozzle exit gas velocity (motive gas flow rate). This solid column and ejector system work as a pressure barrier. Different from the first case, some portion of the required pressure difference is contributed by the accumulated solid column which causes considerable amount of decrease in required high pressure motive gas flow rate. In this study, the desired design and operational conditions (maximum pressure difference & minimum high pressure gas flow rate) are sought for the ejector system. The before mentioned two cases have been investigated with the CFB cold model (94 mm in diameter and 7800 mm in height) experiments . In addition to the experimental study, ejector system was analyzed with CFD model in order to investigate the effect of basic geometric and operational parameters on the pressure difference generated by the ejector. Furthermore a novel semi-empirical method was proposed as a tool for predicting the ejector performance comparable with CFD results. Finally, ejector system was tested with hot gasifier system which has same dimensions with the cold CFB test facility.