Fluidiserade bäddar är en teknologi som används inom en rad olika industrier och spelar en viktig roll vid grön energiomvandling och produktion av livsmedel och läkemedel. Processen som sker inuti en fluidiserad bädd är dock extremt komplex och – till följd av bristande mättekniker – i stort sett okänd. Nu har forskare från Chalmers tekniska högskola utvecklat en högfrekvent radarteknik som med oöverträffad precision kan mäta exakt vad som sker inuti en fluidiserad bädd. Genombrottet kan leda till helt nya och mer effektiva processer inom bland annat energiomvandling.
I värmekraftverk är förbränning i en fluidiserad bädd en av de ledande teknikerna i världen för att omvandla fasta bränslen, som biomassa och avfall, till fjärrvärme och el. Fluidiseringstekniken är också en grundpelare för många andra processer som förväntas spela en globalt viktig roll för klimatomställningen av samhällets energisystem och cirkulära resursflöden såsom inom koldioxidavskiljning, energilagring och produktion av vätgas och andra fossilfria bränslen*.
Forskare på Chalmers har nu utvecklat en radarteknik för fluidiserade bäddar som kan påskynda utvecklingen av dessa processer.
Redan idag är fluidiserade bäddar den mest effektiva teknologin för att omvandla fasta biobränslen. De skapar en effektiv och jämn förbränning, genom att de fasta partiklarna antar ett vätskeliknande tillstånd som sprider ut värmen jämnt i förbränningsrummet. Kort sagt bygger fluidiseringsteknologin på att gas blåses genom en bulk av små sandliknande partiklar i en reaktor, så att sandpartiklar, bränsle och gas blandas och får kontakt med varandra.
Som en sandstorm och en skogsbrand på samma gång
För att få ännu högre effektivitet i processen behöver man kunna förstå och kontrollera hur partiklarna beter sig i blandningen. Men reaktormiljön är ofta varm, smutsig och frätande – som en sandstorm och en skogsbrand på samma gång – vilket gör det svårt att mäta flödet och förstå vad som sker inuti reaktorn.
Chalmersforskarnas nya lösning är en oerhört högfrekvent radarteknik, som med oöverträffad precision kan mäta exakt hur partiklar rör sig i fluidiserade bäddar. Tekniken är inspirerad av en radarprincip som används för att följa väderfenomen som regn eller snö, och är den första i sitt slag som har demonstrerats i en fluidiserad bädd. Genombrottet förväntas nu bana väg för nya och mer effektiva processer inom en rad industrier.
– Det högfrekventa terahertz-radarinstrumentet som vi har demonstrerat har potential att revolutionera förutsättningarna för hur fluidiserad bäddteknologi kan utformas och användas inom olika industrisektorer, från energiomvandling till produktion av livsmedel och läkemedel. Detta är en av mycket få demonstrationer av så kallad puls-Dopplerteknik i submillimeterområdet som har genomförts, och det är första gången någonsin som den har använts för mätningar i en fluidiserad bädd, säger Diana Carolina Guío Pérez, forskare i energiteknik på Chalmers.
Oöverträffad mätprecision
Medan de mättekniker som används i fluidiserade bäddar normalt sett idag har låg upplösning, ger svårtolkade resultat, eller orsakar störningar i flödet, kan Chalmersforskarnas högfrekventa terahertz-radar penetrera reaktorn utifrån och mäta partiklarnas beteende utan att störa flödet.
Radarteknologin kan även mäta både hastigheten och koncentrationerna av de fasta partiklarna med stor precision och hög upplösning i tid och rum. Det innebär att även minimala förändringar i flödet kan detekteras i realtid, vilket är viktigt vid övervakning och kontroll av industriella processer.
I forskarnas studie demonstrerades tekniken i praktiken, för första gången någonsin, i en tre meter hög modell av en fluidbäddpanna. Resultaten visade en mätkvalitet som med stor marginal överträffade de metoder som tidigare använts inom fältet.
– Vi har kunnat visa att puls-Dopplerradar vid frekvenser upp mot 340 GHz kan mäta både fördelningen av partiklar och deras hastighet inuti en fluidiserad bädd med mycket högre upplösning än med andra tekniker. Det här är information som länge har saknats inom fältet och som kommer göra det möjligt att förbättra och skala upp processreaktorer – och i fallet energiomvandling - minska utsläpp av oönskade restprodukter, säger Marlene Bonmann, postdoktor i terahertz- och millimetervågsteknik på Chalmers.
– Den kunskap som kan hämtas in med vår högfrekventa terahertzradar kommer kunna bryta ny mark i förståelsen av hur fasta ämnen rör sig i reaktorer. Till exempel kan den leda till förbättrad drift och utformning av de reaktorer som behövs inom både befintliga och helt nya omvandlingsprocesser som bygger på fluidiserade bäddar, såsom kolinfångning, energilagring och termisk recycling, säger Diana Carolina Guío Pérez.
Mer om studien:
Den vetenskapliga artikeln Radar-based measurements of the solids flow in a circulating fluidized bed - ScienceDirect är skriven av Diana Carolina Guío-Perez, Marlene Bonmann, Tomas Bryllert, Martin Seemann, Jan Stake, Filip Johnsson och David Pallarès. Forskarna är verksamma vid institutionen för rymd-, geo-, och miljövetenskap och institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap vid Chalmers tekniska högskola.
*Fluidiserade bäddar används inom:
• Koldioxidavskiljning och -lagring (CCS) genom så kallad kemisk looping.
• Energilagring: Med hjälp av fluidiserade bäddar kan sol- eller vindenergi omvandlas till kemisk energi och lagras under obestämd tid i rumstemperatur utan energiförluster.
• Produktion av vätgas och andra fossilfria bränslen: Här används fluidiserade bäddar i förgasningsprocessen
• Återvinning av blandat avfall till prima plast
• Tillverkning av läkemedel: Fluidiserade bäddar används för att blanda substanser i läkemedel och för beläggning av farmaceutiska tabletter.
• Mat: Fluidiserade bäddar används också för att torka flingor eller grynbaserad mat.
För mer information, kontakta:
Diana Carolina Guio Perez, forskare i energiteknik vid institutionen för rymd-, geo-, och miljövetenskap, Chalmers.
Tel: +46-73-843-35 57
Mejl: carolina.guioperez@chalmers.se
Marlene Bonmann, postdoktor i terahertz- och millimetervågsteknik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers.
Tel: +46-73-871 98 82
Mejl: marbonm@chalmers.se
- Forskningsspecialist, Energiteknik, Rymd-, geo- och miljövetenskap