view in publisher's site

Ash formation and deposition in coal and biomass fired combustion systems: Progress and challenges in the field of ash particle sticking and rebound behavior

The purpose of this paper is to review the present knowledge on ash formation, ash particle transport and deposition during solid fuel combustion, with emphasis on particle sticking and rebound behavior. A substantial part of the fuel can be inorganic, forming inorganic vapors and ash particles. The impaction of solid, molten or partially molten particles on surfaces is dependent on the particle and surface characteristics. For instance, a particulate deposit might capture incoming particles or be removed due to erosion, while a molten layer will collect all impacting particles, no matter if they are sticky or not. The main properties affecting the particle stickiness are the viscosity and surface tension for silicate-rich ashes. On the contrary, the stickiness of salt-rich ashes – typical for herbaceous biomass and wood- or waste-based fuels – is often described using the liquid melt fraction. Furthermore, the particle kinetic energy and the angle of impaction, are crucial parameters. If all kinetic energy is dissipated during the impact, the particle will remain on the surface. This review presents an overview of major ash forming elements found in biomass and coal, and discusses the heterogeneity of particles’ inorganic composition. Ash transport and deposition mechanisms as well as their mathematical description are given and discussed, together with composition- and temperature-depended models for the estimation of ash particle and deposit properties. These properties are essential in order to describe the particle sticking and rebound behavior.Ash particle sticking and rebound criteria can be divided into three main groups, based on either: (1) the particle melt fraction, (2) the particle viscosity, or (3) the energy dissipation of a particle, upon impaction. Sticking criteria are presented, their required parameters are discussed and typical particle and surface properties found in combustion systems, are summarized. Eight different sticking criteria are implemented in a computational fluid dynamics code and computations are compared against measurements from an entrained flow reactor. Uniform sized soda-lime glass particles are applied instead of inhomogeneous fly ash particles, since soda-lime glass is known to behave similar to coal fly ash. Best agreement for the deposition rates on a clean tube is achieved using a criterion based on the work of Srinivasachar et al. [1]. In this model, the sticking and rebound threshold, is a function of the particle kinetic energy, the angle of impaction, and, the particle viscosity. Particularly, the particle viscosity is confirmed as a key parameter for silicate-rich ashes. It should be calculated using temperature- and composition-dependent correlations, being aware that there is a significant scattering in the results from such models and that the models are often only valid in narrow compositional ranges, and cannot be used outside these. A mechanistic model is used to explain results from glass particle experiments and their dependence on the particle kinetic energy. Therefore, the impaction process is subdivided in four steps, and the energy dissipation of each step is calculated. These theoretical considerations show that the contact angle of a molten droplet with the substrate is of minor importance, and that the majority of depositing particles are dominated by the work of deformation against viscosity, rather than surface tension effects.This review underlines the importance of the particle viscosity, and its accurate prediction for silicate-rich ashes. The proposed criterion is able to predict the sticking of small, solid particles below 10 µm diameter, as it is often observed in literature. Also, it is crucial to consider the surface structure and stickiness, in order to predict deposition rates in solid fuel-fired systems. Biomass ashes and their stickiness are more difficult, due to a different ash particle chemistry, compared to coal ashes. Salt-rich particles and their stickiness are controlled by the amount of liquid phase. Here, a link between the viscosity and amount of liquid phase is a promising approach, and should be addressed in future work. Furthermore, the viscosity of different ash particles – silicate-, salt- or Ca-rich – should preferentially be modeled from the chemical and physical structure instead of an empirical fitting procedure between fuel chemistry and viscosity measurements.

تشکیل خاکستر و رسوب در زغال‌سنگ و سیستم‌های احتراق زیست‌توده: پیشرفت و چالش‌ها در زمینه چسبندگی ذرات خاکستر و رفتار ارتجاعی

هدف از این مقاله بررسی دانش کنونی در مورد تشکیل خاکستر، انتقال ذرات خاکستر و رسوب در طول احتراق سوخت جامد، با تاکید بر چسبندگی ذرات و رفتار ارتجاعی است. بخش قابل‌توجهی از سوخت می‌تواند غیر آلی باشد و بخارهای غیر آلی و ذرات خاکستر را تشکیل دهد. نهفتگی ذرات جامد، مذاب یا تا حدی مذاب بر روی سطوح به ویژگی‌های ذره و سطح بستگی دارد. به عنوان مثال، یک رسوب ذرات ممکن است ذرات ورودی را جذب کند و یا به خاطر فرسایش حذف شود، در حالی که یک لایه مذاب تمام ذرات تاثیر گذار را جمع‌آوری خواهد کرد، مهم نیست که چسبنده باشند یا نباشند. خواص اصلی موثر بر چسبندگی ذرات، ویسکوزیته و کشش سطحی برای خاکستر غنی از سیلیکات است. در مقابل، چسبندگی خاکستر غنی از نمک - که برای زیست توده علفی و سوخت چوب و یا سوخت‌های مبتنی بر زباله معمول است - اغلب با استفاده از کسر ذوب مایع توصیف می‌شود. علاوه بر این، انرژی جنبشی ذره و زاویه نهفتگی، پارامترهای حیاتی هستند. اگر تمام انرژی جنبشی در طول ضربه تلف شود، ذره بر روی سطح باقی می‌ماند. این بررسی مروری بر عناصر اصلی تشکیل‌دهنده خاکستر که در زیست‌توده و زغال‌سنگ یافت می‌شوند را ارائه می‌دهد و در مورد ناهمگونی ترکیب معدنی ذرات بحث می‌کند. مکانیزم‌های انتقال و رسوب خاکستر و همچنین توصیف ریاضی آن‌ها همراه با مدل‌های ترکیبی و دمایی برای تخمین ذرات خاکستر و خواص رسوب ارایه و بحث شده‌اند. این خواص به منظور توصیف رفتار چسبندگی و بازگشت ذره ضروری می‌باشند. معیار چسبندگی و بازگشت ذره می‌تواند به سه گروه اصلی تقسیم شود: (۱)کسر ذوب ذره، (۲)ویسکوزیته ذره یا (۳)اتلاف انرژی یک ذره پس از نهفتگی. معیارهای چسبندگی ارائه شده‌اند، پارامترهای مورد نیاز آن‌ها مورد بحث قرار گرفته و خصوصیات معمولی ذرات و سطحی که در سیستم‌های احتراق یافت می‌شوند، خلاصه شده‌اند. هشت معیار چسبندگی مختلف در یک کد دینامیک سیال محاسباتی اجرا شده و محاسبات با اندازه‌گیری‌های یک رآکتور جریان درگیر مقایسه شده‌اند. ذرات شیشه سودا - آهک تک اندازه‌ای به جای ذرات خاکستر بادی ناهمگن به کار برده می‌شوند، زیرا مشخص شده‌است که شیشه سودا - آهک رفتار مشابهی با خاکستر بادی زغال‌سنگ دارد. بهترین توافق برای نرخ ته‌نشینی بر روی یک لوله تمیز با استفاده از یک معیار براساس کار Sriniواسآشار و همکاران [ ۱ ] حاصل شده‌است. در این مدل، چسبیدن و بازگشت آستانه، تابعی از انرژی جنبشی ذره، زاویه نهفتگی و ویسکوزیته ذره است. به طور خاص، ویسکوزیته ذره به عنوان یک پارامتر کلیدی برای خاکستر غنی از سیلیکات تایید شده‌است. باید با استفاده از همبستگی‌های وابسته به دما و ترکیب محاسبه شود، آگاه باشید که پراکندگی قابل‌توجهی در نتایج چنین مدل‌هایی وجود دارد و مدل‌ها اغلب تنها در محدوده‌های ترکیبی باریک معتبر هستند، و نمی‌توانند خارج از این مدل‌ها مورد استفاده قرار گیرند. یک مدل مکانیکی برای توضیح نتایج حاصل از آزمایش‌ها ذرات شیشه‌ای و وابستگی آن‌ها به انرژی جنبشی ذره مورد استفاده قرار می‌گیرد. بنابراین، فرآیند نهفتگی به چهار مرحله تقسیم می‌شود و اتلاف انرژی هر مرحله محاسبه می‌شود. این ملاحظات نظری نشان می‌دهند که زاویه تماس یک قطره مذاب با زیرلایه از اهمیت کمی برخوردار است و اکثر ذرات ته‌نشین شده به وسیله کار تغییر شکل در برابر ویسکوزیته نسبت به اثرات کشش سطحی تحت‌تاثیر قرار می‌گیرند. این بررسی بر اهمیت ویسکوزیته ذره و پیش‌بینی دقیق آن برای خاکستر غنی از سیلیکات تاکید می‌کند. معیار پیشنهادی قادر به پیش‌بینی چسبیدن ذرات جامد و کوچک زیر قطر μm ۱۰ است، همانطور که اغلب در مقالات مشاهده می‌شود. همچنین، در نظر گرفتن ساختار سطحی و چسبندگی، به منظور پیش‌بینی نرخ رسوب در سیستم‌های سوخت جامد ضروری است. خاکستر زیست توده و چسبندگی آن‌ها به دلیل شیمی ذرات خاکستر متفاوت در مقایسه با خاکستر زغال‌سنگ، سخت‌تر است. ذرات غنی از نمک و چسبندگی آن‌ها با مقدار فاز مایع کنترل می‌شوند. در اینجا، ارتباط بین ویسکوزیته و مقدار فاز مایع یک رویکرد امیدوار کننده است و باید در کاره‌ای آینده مورد توجه قرار گیرد. علاوه بر این، ویسکوزیته ذرات خاکستر مختلف - سیلیکات، نمک یا غنی از کلسیم - باید ترجیحا از ساختار فیزیکی و شیمیایی به جای یک روش تناسب تجربی بین شیمی سوخت و اندازه‌گیری‌های ویسکوزیته مدل‌سازی شود.
ترجمه شده با


پر ارجاع‌ترین مقالات مرتبط:

  • مقاله Fuel Technology
  • ترجمه مقاله Fuel Technology
  • مقاله تکنولوژی سوخت
  • ترجمه مقاله تکنولوژی سوخت
  • مقاله Energy Engineering and Power Technology
  • ترجمه مقاله Energy Engineering and Power Technology
  • مقاله مهندسی انرژی و فن‌آوری قدرت
  • ترجمه مقاله مهندسی انرژی و فن‌آوری قدرت
  • مقاله General Chemical Engineering
  • ترجمه مقاله General Chemical Engineering
  • مقاله مهندسی شیمی عمومی
  • ترجمه مقاله مهندسی شیمی عمومی
سفارش ترجمه مقاله و کتاب - شروع کنید

با استفاده از افزونه دانلود فایرفاکس چکیده مقالات به صورت خودکار تشخیص داده شده و دکمه دانلود فری‌پیپر در صفحه چکیده نمایش داده می شود.