The optimum design and scale-up of a fast pyrolysis reactor require a fundamental understanding of its hydrodynamics characteristics. Extensive investigations have been carried out, both theoretically and experimentally, to understand the hydrodynamic characteristics of gas-solid two-phase flow in a pyrolysis reactor, such as velocity field, solids concentration, and pressure drop. Numerical simulation can provide a promising alternative for studying the hydrodynamics of gas-solid flows in the fast pyrolysis reactor. In this study, computational particle fluid dynamics (CPFD) was used to investigate the hydrodynamic characteristics of bubbling fluidized bed (BFB) and conical spouted bed (CSB) reactors. These characteristics were analyzed in terms of pressure drop, solid distribution, and solid circulation rate. The BFB reactor was found to have a lower efficiency than the CSB reactor. The pressure drop of the CSB reactor was 25% less than that of the BFB reactor. The solid circulation rate of the CSB reactor was 68% greater than that of the BFB reactor.

Fast pyrolysis is one of the most viable and commonly used thermochemical conversion technologies which can be applied to both fossil-based and bio-based wastes. The conical spouted bed reactor is an alternative to fluidized beds and has been proven to be a versatile reactor for waste biomass fast pyrolysis, which allows obtaining high bio-oil yields because of its high heat and mass transfer rates and very short residence times. Understanding of the stable hydrodynamic operation range of the conical spouted bed is important for operation of fast pyrolysis reactor. This study characterizes the hydrodynamics of conical spouted bed using the analysis of pressure fluctuation signals. Stable hydrodynamic operation rages were identified by evaluation of pressure drop curve and FFT analysis. The stable operation range of a conical spouted bed was maintained while dominant frequency is 10 Hz. This appears to be promising cost-effective tool for precess control especially in fast pyrolysis systems.

국내에서는 약 3,500천 톤 이상의 슬러지가 매년 배출되고 있다. 슬러지 처리 방법으로는 매립, 해양투기, 퇴비화, 소각 등의 방법이 있으며, 매립으로 인한 토양오염과 매립지 제한, 해양투기 금지로 인하여 소각에 의한 슬러지 처리가 빠르게 증가하고 있다. 슬러지 소각 기술은 다단로, 로터리 킬른, 순환 유동층 기술 등이 있으며, 이 중 순환 유동층 소각 기술은 슬러지를 연속적으로 투입하면서 소각이 가능하고 회분을 연속적으로 제거하면서 운전이 가능할 뿐만 아니라 유동층 내의 격렬한 혼합에 의한 열전달이 우수하기 때문에 유동층 소각에 의한 슬러지 처리 기술 개발이 많이 진행되고 있다. 국내의 경우 유동층 슬러지 소각시설의 수가 적고, 대부분의 소각 시설이 외국의 기술로 설계되어 있으며, 연구기관, 학교, 기업에서 연구를 수행하고 있으나 현재까지 유동층 소각 시설의 설계와 운전, scale-up 기술은 더 많은 연구가 필요한 상황이다. 순환 유동층 연소기의 최적설계와 운전을 위해서는 압력분포, 고체 체류시간, 고체 순환율, 고체 체류량 등 연소기 내 수력학적 특성에 대한 정보가 필요하며, 수력학적 특성에 따라 기체와 고체간의 물질전달 및 반응속도는 영향을 받는다. 본 연구에서는 순환 유동층 연소기의 cold bed 실험장치 및 CPFD(Computational Particle Fluid Dynamic)를 이용하여 운전 조건 변화에 따른 순환 유동층 내 기체-고체의 수력학적 특성을 연구하였다. 연구를 통하여 공탑속도, 우드펠렛과 슬러지의 투입비에 따른 순환 유동층 연소기 내 압력강하, 고체 체류시간, 고체 순환율 변화에 대하여 고찰하였으며, 전산해석 결과와 cold bed 실험 결과를 비교/평가하였다.

In this study, a cold model of a circulating fluidized bed is developed and tested for designing a char combustor. This study has been carried out to investigate effects of the solid circulation rate and superficial gas velocity on the hydrodynamic characteristics in a circulating fluidized bed. Solid holdup and pressure drop in the riser increases with the increase of solid circulation rate, but decreases with increasing superficial gas velocity. The solid holdup in the dense region increases with increasing solid circulation rate at lower gas velocities, whereas it is independent of solids circulation rate at higher gas velocities.