Characterization of Hydrodynamics and Solids Mixing in Fluidized Beds Involving Biomass

L'intérêt croissant pour l'utilisation de la biomasse comme source renouvelable d'énergie propre a entraîné l'application vaste d'unités de traitement thermique de la biomasse à travers le monde. Ces unités, qui sont principalement basées sur la fluidisation gaz-solide, souffrent de certains obstacles hydrodynamiques tels que la ségrégation du lit. En outre, les aspects d'écoulement multiphasiques complexes de ces unités ont toujours demeuré largement inconnus. Par conséquent, la réalisation d'une recherche approfondie sur ce domaine est cruciale pour le design et l'optimisation du fonctionnement des unités de biomasse à lit fluidisé. Cette thèse se concentre donc sur la caractérisation de l'hydrodynamique et les phénomènes de mélange dans les lits fluidisés contenant des mélanges de sable et de particules irrégulières de biomasse. Le premier objectif de cette étude est de comprendre l'effet des grosses particules de biomasse sur les caractéristiques des bulles et le type de distribution de gaz dans les lits fluidisés de sable. Cela est essentiel pour atteindre le deuxième objectif qui est la caractérisation de mélange/ségrégation de la biomasse et des particules de sable dans les conditions de fluidisation. Explorer les paramètres régissant le mélange/ségrégation est utile pour ajuster les conditions d'exploitation afin d'améliorer ce phénomène bénéfique pour le système. En conséquence, la ségrégation est exploitée dans le dernier chapitre de cette thèse afin de séparer les composants combustibles des déchets solides municipaux par un processus par étapes. Une variété de techniques expérimentales est utilisée pour étudier le comportement des deux phases constituant un lit fluidisé, soit phase diluée (bulle) et dense (émulsion). L'exploration des vitesses de fluidisation pour les mélanges de sable et de biomasse dévoile que l'apparition des bulles dans ce système se produit à une vitesse de gaz plus élevée par rapport à la vitesse de fluidisation initiale de fluidisation (Uif). La vitesse initiale de bullage (Uib), la vitesse de fluidisation finale (Uff), et la vitesse du gaz de transition du régime de bullage au régime turbulent (Uc) augmentent avec l'augmentation de la fraction de la biomasse dans le mélange. Les fluctuations locales des signaux de pression et de porosité sont mesurées dans des positions différentes du lit à l'aide de capteurs de pression absolue et différentielle et des sondes à fibre optique. L'analyse statistique du signal de pression au dessus du lit révèle que l'augmentation de la charge de la biomasse empêche l'évolution des bulles à faible vitesse de gaz (U<0,6 m/s), tandis qu'à des vitesses élevées, la tendance de propagation de lits contenant différentes fractions de la biomasse est comparable. L'ajout de particules de biomasse à un lit de sable conduit à augmenter la porosité moyenne du lit, mais le degré de vide de chaque phase reste inchangé. On observe que les grandes particules de biomasse déclenchent l'éclatement de bulles, ce qui mène à l'augmentation de la fréquence de bullage. La fraction de bulles au centre du lit augmente avec la charge de biomasse. Cependant, en ajoutant 2% en masse de la biomasse au sable pur, cette fraction diminue à la paroi puis augmente à l'addition de biomasse supplémentaire. La technique de suivi des particules radioactives (RPT) est mise en œuvre dans la deuxième partie de ce travail pour étudier le mouvement et la distribution des particules de biomasse à U=0,36 m/s et U=0,64 m/s. À cet égard, une particule active de biomasse est suivie pour une longue période de temps et sa position instantanée est enregistrée. Les données acquises sont ensuite traitées pour obtenir le profil de concentration moyenne temporelle des particules de biomasse. Ce profil représente la ségrégation des particules de biomasse qui ont tendance à s'accumuler dans les niveaux supérieurs du lit. Les variations de la fraction de la biomasse avec la vitesse de la fluidisation sont déduites des changements locaux des valeurs de perte de charge moyenne temporelle au dessus du lit. Pour déterminer les paramètres affectant le mouvement et la ségrégation des particules de biomasse, le mouvement circulatoire de la biomasse est également examiné en utilisant les données RPT. A U=0,36 m/s, La circulation de la biomasse est empêchée lorsque la charge de biomasse monte, ce qui entraîne une ségrégation plus prononcée du sable et de la biomasse. Une tendance inverse est observée à U=0,64 m/s, lorsque la charge de la biomasse augmente de 2% à 16% en masse. C'est à dire, plus de particules de biomasse peuvent compléter leur circulation tout en coulant dans les parties les plus profondes du lit. Cela provoque une répartition plus uniforme de particules le long du lit et amène un plus haut degré de mélangeage. Ces phénomènes pourraient être directement liés à l'activité de bullage du lit qui est influencée par la vitesse du gaz et de la composition du lit, comme indiqué dans la première partie de cette étude. Sur la base des résultats RPT, la vitesse d'augmentation moyenne de la biomasse est de 0,2 fois la vitesse de bulle, indépendamment de la charge de biomasse ou de la vitesse de fluidisation. Un modèle unidimensionnel est proposé afin de prévoir la fraction volumique de la biomasse le long du lit. Certains des termes de ce modèle sont liés au comportement de fluidisation des particules de biomasse, déduits par RPT. Les résultats de ce modèle pourraient prédire avec succès les valeurs expérimentales correspondantes. La fluidisation du sable et des particules de biomasse cylindriques est aussi simulé à l'aide du logiciel BARRACUDA CPFD, qui est basé sur la méthode Lagrange-Eulérienne. Les résultats des simulations et des expériences sont comparés dans le but d'évaluer la capacité de l'approche numérique pour prédire les caractéristiques de propagation du mélange sable-biomasse pour les systèmes différents en termes de composition et de vitesse de fluidisation. L'approche numérique choisie pourrait prédire avec succès la mesure de l'expansion du lit pour chaque espèce (sable ou biomasse). En outre, les propriétés statistiques de la distribution de la taille et la vitesse des bulles –telles que la moyenne, l'écart-type et l'asymétrie –obtenues à partir de la simulation sont comparables avec les valeurs expérimentales correspondantes. La dernière partie de cette thèse est consacrée à la séparation des principaux composants des déchets encombrants déchiquetés. Le motif derrière cela est la nécessité du contrôle de la composition des combustibles dérivés de déchets solides pour promouvoir l'efficacité de la combustion et de réduire le niveau des émissions qui en résultent. À cet effet, les écoulements presque purs des éléments combustibles dérivés des déchets solides sont exigés de fabriquer un combustible souhaitable. À cet égard, un processus par étapes est développé sur la base des phénomènes d'élutriation et de ségrégation. Après élimination des espèces légères et entrelacées de déchets déchiquetés par élutriation, les matériaux non élutriés sont en outre séparés dans deux colonnes successives de fluidisation. Polypropylène et perles de verre sont introduits comme les médias de fluidification dans ces colonnes afin de rendre la ségrégation des composants cible et non-cibles possibles. Par conséquent, les matériaux combustibles indésirables et les particules de plastique dur sont séparés comme le trop-plein de la première et la deuxième étape de fluidification. Une deuxième colonne d'élutriation est également conçue pour séparer la fibre et le plastique mou. Les pourcentages de recouvrement et la pureté des étapes constituant le processus global sont respectivement de 95% et 47% dans les conditions de fonctionnement optimales. Pour déterminer ces conditions, plusieurs paramètres d'influence tels que la vitesse d'élutriation, la durée de l'élutriation, la taille et la densité des médias de fluidisation et de la configuration initiale du déchet et les matières du lit sont explorés. La cinétique de ségrégation est également dérivée pour les deux étapes de fluidification.

Abstract

Growing interest in the use of biomass materials as a clean and renewable source of energy has resulted in the widespread application of thermal biomass processing units across the world. These units, which are mainly based on gas-solid fluidization, suffer from some hydrodynamic hurdles, such as the segregation of bed inventory. In addition, the complex multiphase flow aspects of these units have still remained largely unknown. Hence, conducting comprehensive research in this field is crucial for the optimal design and operation of fluidized bed biomass units. This thesis, therefore, focuses on the characterization of hydrodynamics and mixing phenomena in fluidized beds containing mixtures of sand and irregular biomass particles. In the first two chapters of this thesis the principal aspects of the hydrodynamic phenomena in fluidized beds involving biomass are briefly discussed and the most significant relevant findings are reviewed. The first objective of this study is understanding the effect of the large biomass particles on the bubbling characteristics and gas distribution pattern of sand fluidized beds. In this regard, the third chapter of this thesis is devoted to studying the local and global pattern of gas distribution between the dilute (bubble) and dense (emulsion) phases of a fluidized bed composed of sand and different weight fractions of biomass (2–16%). This is essential for achieving the second objective, which is the characterization of mixing/segregation of biomass and sand particles under fluidization conditions. It is the subject of the forth chapter of the present thesis in which the axial distribution of large biomass particles in a sand-biomass fluidized bed is discussed. In view of the growing importance of the numerical simulations in optimal design and operation of biomass fluidized bed units, the fifth chapter of this thesis focuses on the experimental validation of a Lagrangian-Eulerian numerical approach simulating fluidization of both sand and biomass particles. Exploring the parameters governing mixing/segregation is helpful to adjust the operating conditions to enhance either phenomenon that is beneficial. Accordingly, segregation is exploited in the sixth chapter of this thesis to separate the main combustible components of the shredded bulky waste through a step-wise process. A variety of experimental techniques are employed to study the behavior of two constituting phases of a fluidized bed, i.e., dilute (bubble) and dense (emulsion) phases. Exploring the characteristic fluidization velocities of sand-biomass mixtures unveils that the onset of bubbling in these systems occurs at a higher gas velocity compared to that of the initial fluidization velocity (Uif). The initial bubbling velocity (Uib), the final fluidization velocity (Uff), and the transition gas velocity from bubbling to turbulent regime (Uc) rise by increasing the fraction of biomass in the mixture. The local fluctuations of the pressure and voidage signals are measured in different positions of the bed using absolute and differential pressure transducers and optical fiber probes. Statistical analysis of the pressure signal at top of the bed reveals that increasing the biomass load hinders the evolution of bubbles at a low gas velocity (U<0.6 m/s), while at high velocities, the bubbling trend of beds containing different fractions of biomass is comparable. The addition of biomass particles to a bed of sand leads to an increase in the mean voidage of the bed; however, the voidage of each phase remains unaffected. It is observed that large biomass particles trigger a break-up of the bubbles, which results in boosting bubbling frequency. The fraction of bubbles at the center of the bed increases with the load of biomass. At the wall region, however, it starts to decrease by adding 2% wt. biomass to pure sand and then increases with the further addition of biomass. The Radioactive Particle Tracking (RPT) technique is implemented in the second section of this work to study the motion and distribution of biomass particles at U=0.36 m/s and U=0.64 m/s. In this regard, an active biomass particle is tracked for a long period of time and its instantaneous position is recorded. The acquired data is then processed to achieve the time-averaged concentration profile of biomass particles. This profile represents the segregation of biomass particles, which tend to accumulate in the upper levels of the bed. Changes in the fraction of biomass with increasing gas velocity are inferred from the local changes of the time-averaged pressure drop values at the top of the bed. To determine the parameters affecting the movement and segregation of biomass particles, their circulatory motion is also scrutinized using the RPT data. The circulation of biomass is impeded when the load of biomass rises at U=0.36 m/s, resulting in a more pronounced segregation of sand and biomass. The opposite trend is observed at U=0.64 m/s, i.e., when the biomass load increases from 2% to 16% wt., more biomass particles can successfully complete their circulation while sinking to the deeper parts of the bed. This prompts a more uniform distribution of particles along the bed and brings about a higher degree of mixing. These phenomena could be directly related to the bed bubbling activity which is influenced by the gas velocity and the composition of the bed inventory as noted in the first part of this study. Based on the RPT results, the average rise velocity of biomass is 0.2 times the bubble velocity, regardless of the biomass load or fluidization velocity. A one-dimensional model is proposed to predict the volume fraction of biomass along the bed. Some of the terms of this model are linked to the fluidizing behavior of biomass particles as deduced from the RPT findings. The model's results could successfully predict the corresponding experimental values. The fluidization of sand and cylindrical biomass particles is also simulated using the BARRACUDA CPFD software, which is based on the Lagrangian-Eulerian approach. Simulation and experimental results are compared in order to evaluate the capability of the numerical approach to predict the bubbling characteristics of the sand-biomass mixture for systems differing in composition and fluidization velocity. The chosen numerical approach could successfully predict the extent of bed expansion for each species (sand or biomass particles). Moreover, the statistical properties of the distribution of both bubble size and velocity such as mean, standard deviation and skewness, obtained from the simulation are fairly comparable with the corresponding experimental values. The last part of this thesis is devoted to the separation of the main components of the shredded bulky waste. The motive behind this is the necessity of controlling the composition of the solid waste-based Engineered Fuel (EF) to promote combustion efficiency and lower the level of the resulting emissions. For this purpose, nearly pure streams of the combustible components derived from the municipal solid waste (MSW) are required to make a tailored EF. Therefore, a step-wise process has been developed based on the elutriation and density segregation techniques. After removal of the light and interwoven species of the shredded waste by elutriation, the non-elutriated materials are further separated into two successive fluidization columns. Polypropylene and glass beads are introduced as the fluidization media in these columns in order to make density segregation of the target and not-target components possible. Hence, undesirable combustible matters and hard plastic are separated as the overflow of the first and second fluidization steps. A second elutriation column is also devised to separate and recover fiber and soft plastic. The recovery and purity percentages of the steps of the overall process are respectively over 95% and 47% under optimal operating conditions. To determine these conditions, several influential parameters, such as the elutriation velocity and time, the size and density of the fluidization media, and the initial configuration of the feedstock and bed material, are explored. The kinetics of segregation is also derived for both fluidization steps.