Кипящие слои используются в различных отраслях промышленности и играют важную роль в переходе на экологически чистую энергию и производстве продуктов питания и лекарств. Однако процесс, происходящий внутри псевдоожиженного слоя, чрезвычайно сложен и из-за отсутствия эффективных методов измерения остается в значительной степени неизвестным.

Теперь исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции разработали метод высокочастотного радара, который может точно измерять то, что происходит внутри псевдоожиженного слоя, с непревзойденной точностью. Этот прорыв может привести к совершенно новым и более эффективным процессам в ряде отраслей, включая преобразование энергии. Работа опубликована в журнале Fuel.

Сжигание в кипящем слое является одной из ведущих технологий, используемых на тепловых электростанциях мира. Эта технология преобразует твердое топливо, такое как биомасса и отходы, в централизованное теплоснабжение и электроэнергию. Технология псевдоожижения также имеет основополагающее значение для многих других процессов, которые, как ожидается, будут играть важную роль во всем мире в переходе энергетических систем и в круговых потоках ресурсов, таких как улавливание углерода, хранение энергии и производство водорода и других видов топлива, не содержащих ископаемого топлива.

Исследователи из Технологического университета Чалмерса разработали радиолокационный метод, способный дать подробную характеристику потока твердых частиц в псевдоожиженных слоях, отсутствие которого сдерживало развитие этих процессов.

Кипящие слои уже являются наиболее эффективной технологией преобразования твердого биотоплива в энергию. Эта технология обеспечивает эффективную и постоянную скорость сгорания, поскольку твердые частицы принимают жидкое состояние, что способствует равномерному распределению тепла в камере сгорания. Вкратце, технология псевдоожижения основана на продувке газа через слой мелких пескоподобных частиц в реакторе, так что эти твердые частицы, топливо и газ, тщательно перемешиваются.

Как песчаная буря и лесной пожар в одном

Для достижения еще большей эффективности в этом процессе необходимо уметь понимать и контролировать поведение твердых частиц в смеси. Но окружающая среда реактора часто бывает горячей, грязной и вызывающей коррозию, как песчаная буря и лесной пожар одновременно, что эффективно препятствует любым измерениям и, таким образом, ограничивает наше понимание того, что на самом деле происходит внутри реактора.

Новое решение этой проблемы, предложенное исследователями из Чалмерса, представляет собой чрезвычайно высокочастотный радиолокационный метод, который может измерять потоки твердых частиц в псевдоожиженных слоях с непревзойденной точностью. Вдохновленный импульсно-доплеровским радаром, используемым для отслеживания погодных явлений, таких как дождь или снег, этот метод впервые был продемонстрирован в контексте псевдоожиженного слоя. Ожидается, что этот прорыв проложит путь к новым и более эффективным процессам в ряде отраслей.

«Использование высокочастотного терагерцового радиолокатора, продемонстрированное в нашем исследовании, может произвести революцию в том, как технология псевдоожиженного слоя может быть разработана и использована во многих различных отраслях промышленности — от преобразования энергии до пищевой промышленности и производства лекарств. очень мало демонстраций использования метода импульсно-доплеровского радара на субмиллиметровых частотах, и это первый случай, когда он использовался для проведения измерений в псевдоожиженном слое», — говорит Диана Каролина Гио Перес, исследователь в области энергетических технологий в Чалмерсе.

Непревзойденная точность измерений

В то время как методы измерения, используемые в псевдоожиженных слоях, обычно имеют низкое разрешение, дают результаты, которые трудно интерпретировать, или вызывают возмущения в потоке, высокочастотный терагерцовый радар исследователей Чалмерса может проникать в реактор снаружи и измерять поведение частиц внутри него, не мешая потоку. Радиолокационная техника также может одновременно измерять скорость и концентрацию твердых частиц с высокой точностью и высоким разрешением во времени и пространстве. Это означает, что даже минимальные изменения потока могут быть обнаружены в режиме реального времени, что важно при мониторинге и управлении производственными процессами.

В исследовании исследователей технология впервые была продемонстрирована на практике в трехметровом котле с циркулирующим псевдоожиженным слоем. Их результаты показали, что качество измерений значительно превосходит качество, достигнутое методами, ранее использовавшимися в полевых условиях.

«Мы смогли показать, что метод импульсно-доплеровского радара на частотах до 340 ГГц может измерять как распределение частиц, так и их скорость внутри технологического реактора с гораздо более высоким разрешением, чем другие технологии. Это информация, которая уже давно чего не хватает в этой области, и позволит усовершенствовать и масштабировать технологические реакторы и — в случае преобразования энергии — сократить выбросы нежелательных остаточных продуктов», — говорит Марлен Бонманн, постдоктор Лаборатории терагерцовых и миллиметровых волн в Университете Чалмерса. технологии.

«Знания, которые можно получить с помощью нашего высокочастотного терагерцового радиолокатора, могут открыть новые горизонты в нашем понимании потоков твердых частиц в реакторах с псевдоожиженным слоем и других установках для обработки твердых частиц. Например, они могут привести к улучшению работы и конструкции реакторы, необходимые для существующих и совершенно новых процессов конверсии на основе псевдоожиженного слоя, таких как улавливание и хранение углерода, накопление энергии и термоциклирование», — говорит Диана Каролина Гио Перес.