NUMERICAL INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF VARIOUS PARAMETERS ON THE THERMOCHEMICAL PROCESSING OF THE COKE-ASH STRAW PARTICLE IN THE FIXED BED
Equations describing the rate of carbon conversion in the range of surface and bulk reactions are obtained taking into account the kinetics of heterogeneous reactions for the diffusion, kinetic and transition regions of the reaction. Deriving the equations, it was assumed that in the zone with a hig...
Збережено в:
| Дата: | 2018 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2018
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/154 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103176321531904 |
|---|---|
| author | Rokhman, B. Klyus, S. |
| author_facet | Rokhman, B. Klyus, S. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "B. Rokhman",
"institution": "Coal Energy Technology Institute NAS of Ukraine"
},
{
"author": "S. Klyus",
"institution": "Institute of Renewable Energy, NAS of Ukraine"
}
] |
| author_sort | Rokhman, B. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:11Z |
| description | Equations describing the rate of carbon conversion in the range of surface and bulk reactions are obtained taking into account the kinetics of heterogeneous reactions for the diffusion, kinetic and transition regions of the reaction. Deriving the equations, it was assumed that in the zone with a high carbon concentration (<<) reaction proceeds on the surface of the particle according to the model of a compressible combustible core, so that diameter of the particles decreases. In the second zone (≤) reaction proceeds in the volume with the same particle size. Here we use the model of a strong ash frame when the reaction proceeds throughout the volume of the particle. On the basis of the constructed equations, a model for thermochemical processing of the solid fuel coke-ash particle in a fixed bed is developed, taking into account the radiative and conductive-convective heat transfer between the bed and the particle and the heat release of chemical heterogeneous reactions. Numerical studies have been carried out in the intervals of surface and volumetric reacting in order to obtain detailed information on the geometric, aerodynamic, thermal, and physicochemical parameters of the combustion and gasification of a particle of straw in a fixed bed. It is shown that: a) with a decrease in the size of the coke-ash biomass particle, the time intervals for warming up and burning out are narrowed; b) expansion of the range of the volumetric reacting promotes an increase in the burnout time of the particle; d) As the concentration of oxygen in the gas mixture decreases, the rate of conversion of carbon and the temperature of the particle decrease, so that the time for the thermochemical treatment of the coke-ash straw particle increases. |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 3 67
УДК 532.529: 517.4
ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА
ПРОЦЕСС ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КОКСОЗОЛЬНОЙ ЧАСТИЦЫ
СОЛОМЫ В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ
Б.Б. Рохман1, доктор технических наук, C.В. Клюс2, кандидат технических наук
1Институт угольных энерготехнологий НАН Украины
04070 г. Киев, ул. Андреевская, 19
2Институт возобновляемой энергетики НАН Украины
02094 г. Киев, ул. Гната Хоткевича, 20А
Построена модель процесса горения и газификации коксозольной частицы твердого топлива в неподвижном слое с учетом
радиационного и кондуктивно-конвективного теплообмена и гетерогенных химических реакций. На базе разработанной
модели проведены широкие численные исследования влияния диаметра частицы биомассы, содержания окислителя в газо-
вой фазе и соотношения интервалов поверхностного и объемного реагирования на процесс термохимической переработки
коксозольной частицы соломы в неподвижном слое. Библ 5, рис. 5.
Ключевые слова: неподвижный слой, солома, горение, реакция, теплообмен, концентрация, углерод, кислород.
NUMERICAL INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF VARIOUS PARAMETERS
ON THE THERMOCHEMICAL PROCESSING OF THE COKE-ASH STRAW PARTICLE
IN THE FIXED BED
B. Rokhman1, doctor of technical sciences, leading researcher, S. Klius2, candidate of techical sciences, senior researcher
1Coal Energy Technology Institute NAS of Ukraine,
04070, 19 Andreevskaya Street, Kyiv
2Renewable Energy Institute NAS of Ukraine
02094, 20A Gnata Khotkevicha Street, Kyiv
A model for the combustion and gasification of a coke-ash solid fuel particle in a fixed bed, taking into account radiative and con-
ductive-convective heat transfer and heterogeneous chemical reaction is constructed. On the basis of the developed model, extensive
numerical studies of the influence of the diameter of the biomass particle, the content of the oxidant in the gas phase, and the ratio of
the surface and bulk reaction intervals to the thermochemical processing of the coke-ash straw particle in a fixed bed were carried
out. Referenses 5, fig. 5.
Keywords: fixed bed, straw, combustion, reaction, heat exchange, concentration, carbon, oxygen.
Б.Б. Рохман
B. Rokhman
Сведения об авторе: ведущий научный
сотрудник Института угольных энерго-
технологий НАН Украины, доктор техни-
ческих наук. Биографические данные
Рохмана Б.Б. размещены в известных
мировых изданиях «Who's Who in Science
and Engineering» и «2000 Outstanding Intel-
lectuals of the 21st Century».
Образование: Новочеркасский политех-
нический институт.
Научная сфера: математическое моделиро-
вание аэродинамики, тепломассообмена и
химического реагирования полидисперсного
ансамбля твердого топлива в камерных и
слоевых топках, в реакторах с циркулирую-
щим кипящим слоем и в кипящем слое.
Information about the author: the leading
researcher of the Institute of Coal Energy
Technologies of the NAS of Ukraine, doctor
of technical sciences. Biographical infor-
mation of Rohman B.B. is published in well-
known world directories «Who's Who in
Science and Engineering» and «2000 Out-
standing Intellectuals of the 21st Century».
Education: Novocherkassk Polytechnic In-
stitute.
Research area: mathematical modeling of
aerodynamics, heat and mass transfer and
chemical reaction of a polydisperse ensemble
of solid fuel in chamber and layer furnaces,
in reactors with a circulating fluidized bed
and in the fluidized bed.
© Б.Б. Рохман, С.В. Клюс, 2018
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 3 68
Публикации: более 90 научных работ, из
них 27 работ содержатся в наукометриче-
ской базе Scopus и 4 в наукометрической
базе Web of Science.
ORCID: 0000-0002-1270-6102
Контакты: +38 (044) 425-53-77
e-mail: brolene@yahoo.com
Publications: more than 90 scientific papers,
27 of them are contained in the science-based
Scopus database and 4 in the science-based
Web of Science database.
ORCID: 0000-0002-1270-6102
Contacts: +38 (044) 425-53-77
e-mail: brolene@yahoo.com
С.В. Клюс
S. Klius
Сведения об авторе: кандидат техниче-
ских наук, старший научный сотрудник
отдела возобновляемых органических
энергоносителей ИВЭ НАН Украины
Образование: Сумский государственный
университет, 2010.
Научная сфера: биоэнергетика, биоуголь,
газификация.
Публикации: 17, в т.ч. 4 патента.
ORCID: 0000-0002-5804-4925
Контакты: +38 (044) 206-28-09
e-mail: biomassa@ukr.net
Information about the author: candidate of
technical sciences, research fellow, Depart-
ment of Renewable Organic Energy Carriers
IRE NAS of Ukraine.
Education: Sumy State University, 2010.
Research area: bioenergy, biocoal, gasifica-
tion.
Publications: 17, including 4 patents.
ORCID: 0000-0002-5804-4925
Contacs: +38 (044) 206-28-09
e-mail: biomassa@ukr.net
Перечень использованных обозначений и сокращений:
A, N, O,
S, H, W,
V
− массовые доли золы, азота, кислорода, серы,
водорода, влаги и летучих веществ в твердом
топливе
u − скорость, м/с
Ar − критерий Архимеда α − коэффициент массообмена, м/с
C − концентрация газовых компонентов,
(кмоль/м3) или массовая доля углерода в
твердом топливе
δ − диаметр частицы, м
c − теплоемкость, кДж/(кг·К) γ − длина частицы, м
E − энергия активации, кДж/кмоль ε − порозность слоя
h − коэффициент теплообмена между слоем и
частицей, кДж/(с·м2·К)
η − кинематическая вязкость, м2/с
k − константа скорости реакции, м/с ρ − плотность, кг/м3
m − масса, кг τ − время, с
Q − тепловой эффект реакции, кДж/кмоль φ − ширина частицы, м
r − радиус частицы, м ψ − толщина частицы, м
t − температура, °С
индексы нижние:
ash − зола; lim − граничное значение;
bad − слой; let − летучие; O2, CO2 кислород и двуокись угле-
рода;
C − углерод; p − частица;
cond − конвективно-кондуктивный теплообмен; rad − лучистый теплообмен;
D − диффузия; sol − солома;
fix − фиксированный; 0 − начальные условия;
g − газ; I −IX − варианты расчета.
индексы верхние:
w − поверхность; r − рабочая масса топлива.
vol − объем;
mailto:brolene@yahoo.com
mailto:brolene@yahoo.com
mailto:biomassa@ukr.net
mailto:biomassa@ukr.net
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 3 69
Введение. Настоящая работа посвящена ма-
тематическому моделированию и теоретическому
исследованию влияния различных факторов
(концентраций кислорода и углекислого газа в
газовой смеси, соотношения диапазонов поверх-
ностного и объемного реагирования, геометриче-
ских параметров частицы) на процесс термохи-
мической переработки коксозольной частицы
соломы в неподвижном слое.
Постановка задачи. Предлагаемая модель ба-
зируется на следующих основных предпосылках:
1) стехиометрическая схема реакций включает
в себя три гетерогенные реакции C+O2=CO2,
2C+O2=2CO и C+СO2=2CO, которые проте-
кают как на поверхности частицы, так и в ее
объеме;
2) частица соломы (Cr=41%, Sr=0,1%, Hr=4,6%,
Or=31,4%, Wr=14,8%, Nr=0,4%, Ar=7,7%,
r
letV =65,4%) имеет шарообразную форму,
диаметр которой определяется как
3
0sol π
ψγ6δ ϕ
= ; (1)
3) выход летучих веществ и испарение исход-
ной влаги из частицы соломы происходит
вне слоя (в надслоевом пространстве или
пиролизере), что приводит к уменьшению ее
диаметра δsol0 согласно выражению
3
0C0CCashC
rr
let0CCashC
0sol0 )1)()ρρ((ρ
)/100)(-(1))ρρ((ρ
δδ
CC
WVC
−−+
+−+
= , (2)
в результате чего частица соломы на входе в слой
состоит из углерода и золы, массовые концен-
трации которых вычисляются по формулам
rr
let
rrrr
r
fix
0C 001 WCNOHS
CC
−−−−−−
= ,
rr
let
rrrr
r
0 001 WCNOHS
AA
−−−−−−
= ; (3)
4) частица соломы в неподвижном слое окру-
жена инертными частицами диаметром δ0;
5) для поверхностного реагирования использу-
ется модель сжимающегося горючего ядра, а
для объемного − модель прочного золового
каркаса, когда реакция протекает во всем
объеме частицы;
6) используется следующая схема горения и
газификации частицы: на первом этапе при
достаточно высокой концентрации углерода
( limC,C < CC < 0CC ) реагирование происходит
на поверхности частицы с уменьшением ее
диаметра; на втором ( CC ≤ limC,C ) − реагиро-
вание протекает в объеме при неизменном
размере частицы;
7) в течение всего времени пребывания в непо-
движном слое частица соломы сохраняет
шарообразную форму;
8) газовая смесь состоит из кислорода, азота и
двуокиси углерода. Окисью углерода, кото-
рая получается по реакциям 2C+O2 =2CO и
C+СO2 =2CO пренебрегаем;
9) газ движется в режиме идеального вытеснения;
10) энергии активации для гетерогенных реак-
ций принимались как для древесного угля.
Основные уравнения. Подобно [1–3] запи-
шем выражения для массы коксозольной частицы
в начальный и текущий моменты времени
)1(
)1(
C
C00p
p C
Cm
m
−
−
= ,
3
ρπ4 0p
3
0
0p
r
m = ,
0p
0C
C0 m
m
C = , (4)
и ее объема (τ = 0)
ash
0pash
C
0p0C
p0 ρ
/
ρ
/
ρ
1 mmmm
+= . (5)
Преобразуя (5) с использованием соотноше-
ния C00pash 1/ Cmm −= , получим формулу для
плотности частицы исходного топлива
)ρ(ρρ
ρρ
ρ
Cash0CC
Cash
p0 −+
=
C
. (6)
Производная от первого выражения (4) с
учетом (6) записывается как
[ ] τ)1()ρ(ρρ3
)1(ρρπ4
τ
C
2
CCash0CC
C0Cash
3
0p
d
dC
CC
Cr
d
dm
−−+
−
= . (7)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 3 70
С другой стороны, уравнение баланса массы
коксозольной частицы можно представить в виде
[ ]w
COСOC
w
O0.5OCOCC
2p
22222
)2(μπ4
τ
CkCkkr
d
dm
+++ ++−= , (8)
где концентрации газовых компонентов на по-
верхности коксозольной частицы находятся по
формулам
222
22
2
0,5OCOCOD,
OOD,w
O α
α
++ ++
=
kk
С
C ,
22
2222
2
СOCCOD,
w
OOCCOCOD,w
CO α
α
+
+
+
+
=
k
CkС
C . (9)
В уравнении (8) фигурирует неизвестная
функция r(CC). Для вывода выражения r(CC) за-
пишем отношение объемов частицы твердого
топлива в начальный и текущий моменты време-
ни в следующем виде
+
+
=
0CCashash
CCashash
0C
C
3
0
3
/ρρ
/ρρ
mm
mm
m
m
r
r
. (10)
Преобразуем (10) с учетом 11
CC
ash −=
Cm
m
,
11
0C0C
ash −=
Cm
m
и
1/1
1/1
C
0C
0C
C
−
−
=
C
C
m
m
. В результа-
те
3
C0CCashC
0CCCashC
0 )1)()ρρ((ρ
)1)()ρρ((ρ
CC
CC
rr
−−+
−−+
=
( limC,C < CC < 0CC ),
3
limC,0CCashC
0ClimC,CashC
0lim )1)()ρρ((ρ
)1)()ρρ((ρ
CC
CC
rr
−−+
−−+
=
(0 < CC ≤ limC,C ). (11)
Приравнивая правые части выражений (7) и
(8), с учетом (11) после несложных преобразова-
ний получим уравнение для скорости поверх-
ностного реагирования частицы в интервале
limC,C < CC < 0CC
3/2
C
3/4
C
w
C )1()1(
τ
bCCFS
d
dC
+−−=
,
1
ρ
ρ
C
ash −=b , 3/1
0Cash0
3/1
0CC
)1(ρ
)1(μ3
Cr
bC
F
−
+
= ,
w
COСOC
w
O0.5OCOC 22222
)2( CkCkkS +++ ++= . (12)
Рассуждая подобно [2], можно построить
выражение для скорости объемного реагирования
частицы в диапазоне 0 < CC ≤ limC,C
2 2 2 2 2
vol
C C C C
lim C
w w
C O C 0.5O O C СO CO
3μ (1 )
τ ρ
( 2 ) .
dC C C
d r
k k C k C+ + +
− = − ×
× + +
(13)
Температура частицы вычисляется по урав-
нению
+
−+
−=
p
gpradcond
23
pp
ρ
)()(δ6
τ
)δ( tthh
d
tсd
2 2 2 2 2
2 s
C O C O C 0,5O C 0,5O O vol
p
6δ ( )
ρ
k Q k Q C C+ + + + + + −
2 2 2
2 s
C СO CO C CO vol
p
6δ
ρ
k C Q C+ + − , (14)
где величина Cvol находится по формуле
C ash C,lim
vol
C ash C C,lim
ρ (1 )
(ρ (ρ -ρ ) )
C C
C
C
−
= ×
+
C C,lim
C
1 ( ),
(1 )
C C
C
× ≤
−
(15)
)(1 limC,Cvol CCC >= ,
а коэффициенты теплообмена condh и radh − со-
гласно [4].
Скорость газа в неподвижном слое вычисля-
ется по рекомендациям [4]
)ε Ar61.018(δ
ε Arη
75.4
p
75.4
pg
g
+
=u . (16)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 3 71
Некоторые результаты расчетов. Обсудим
результаты расчетов девяти вариантов термохи-
мической переработки коксозольной частицы
соломы в неподвижном слое при следующих ис-
ходных данных.
Вариант I: γ=0,015 м, φ=0,005 м, ψ=0,0004 м;
вариант II: γ=0,02 м, φ=0,006 м, ψ=0,0002 м;
вариант III: γ=0,025 м, φ=0,007 м, ψ=0,0003 м;
вариант IV: γ=0,03 м, φ=0,008 м, ψ=0,0005 м;
вариант V: γ=0,035 м, φ=0,01 м, ψ=0,0006 м.
В вариантах I–V limC,C =5%. Вариант VI:
γ=0,035 м, φ=0,01 м, ψ=0,0006 м, limC,C =12,22%;
вариант VII: γ=0,035 м, φ=0,01 м, ψ=0,0006 м,
limC,C =24,44%. В вариантах I–VII
2OС =0,00144313 кмоль/м3 (объемная концентра-
ция кислорода в газовой смеси составляет 16%),
2COС =0,000327984 кмоль/м3. Вариант VIII:
γ=0,035 м, φ=0,01 м, ψ=0,0006 м, limC,C =24,44%,
2OС =0,0018941 кмоль/м3 (объемная концентра-
ция кислорода в газовой смеси составляет 21%),
2COС =0; вариант IX: γ=0,035 м, φ=0,01 м,
ψ=0,0006 м, limC,C =24,44%,
2OС =0,000450977 кмо
ль/м3 (объемная концентрация кислорода в газо-
вой смеси составляет 5%),
2COС =0,00104955 кмоль/м3.
Во всех вариантах:
2OC+E =81·103 кДж/кмоль [5],
2O5,0C+E =89·103 кДж/кмоль,
2СOC+E =178·103 кДж/кмоль, CC0=61,11%,
tbad=tg=950°С, ε=0,4, tp0=30 °С. Результаты расче-
тов проиллюстрированы на рис. 1–5, где пред-
ставлены профили наиболее важных параметров
процесса термохимической переработки коксо-
зольной частицы соломы в неподвижном слое.
На рис. 1 и 2 показано влияние диаметра δ на
скорость выгорания коксозольной частицы соло-
мы. В интервале 0<τw<1 c наблюдается быстрый
рост температуры частицы tp из-за интенсивного
лучистого и кондуктивно-конвективного тепло-
обмена между слоем и частицей и тепловыделе-
ния за счет гетерогенных реакций C+O2=CO2 и
2C+O2=2CO, причем скорость изменения темпе-
ратуры у мелкой частицы dtp/dτw значительно
выше, чем у крупной (рис. 2а, ср. кривые 2 и
5; см. (14)). В диапазоне 1c<τw<27c происходит
интенсивное выгорание частицы соломы, что
приводит к уменьшению ее диаметра и массовой
концентрации углерода в ней, при этом мелкая
частица выгорает значительно быстрее, чем
крупная (рис. 1а, в, ср. кривые 2 и 5). Здесь теп-
ловыделение гетерогенных химических реакций
несколько превалирует над теплообменом, по-
этому функция tp(τw) монотонно возрастает, при-
чем (dtp/dτw)II>(dtp/dτw)V (рис. 2б, ср. кривые 2 и
5). В зоне объемного реагирования, где значение
тепловыделения гетерогенных химических реак-
ций мало отличается от величины теплообмена
между слоем и частицей, функция tp(τvol) слабо
изменяется в интервале 0<τvol<51с. Подобно диа-
пазону поверхностного реагирования, здесь ско-
рость конверсии углерода мелкой частицы выше,
чем крупной (рис. 1б, ср. кривые 2 и 5).
Проанализируем влияние соотношения ин-
тервалов поверхностного и объемного реагиро-
вания на процесс термохимической переработки
коксозольной частицы соломы в неподвижном
слое. Из рис. 3 видно, что с повышением доли
объемного реагирования время выгорания части-
цы возрастает. Это связано, прежде всего, с реак-
ционной поверхностью частицы. В зоне поверх-
ностного реагирования выгорание происходит по
всей внешней поверхности частицы. В области
объемного реагирования часть поверхности заня-
та золой, другая – углеродом, где протекают ге-
терогенные химические реакции. При этом, чем
больше реагирующая поверхность, тем выше
скорость конверсии углерода (dCC/dτvol)VII>
>(dCC/dτvol)V (рис. 3 г, ср. кривые 1 и 3).
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 3 72
Рис. 1. Зависимость диаметра (в) и концентрации углерода в частице соломы (а − поверхностное реагирование, б −
объемное реагирование) от времени: 1 – вариант I, 2 – вариант II, 3 – вариант III, 4 – вариант IV, 5 – вариант V.
Fig. 1. Time dependence between the diameter (в) and the carbon concentration in the straw particle (а − surface reaction, б
− bulk reaction): 1 – variant I, 2 – variant II, 3 – variant III, 4 – variant IV, 5 – variant V.
Рис. 2. Зависимость температуры частицы соломы от времени при поверхностном реагировании:
1 – вариант I, 2 – вариант II, 3 – вариант III, 4 – вариант IV, 5 – вариант V.
Fig. 2. Time dependence between a straw particle and a temperature in the surface reaction: 1 – variant I, 2 – variant II, 3 –
variant III, 4 – variant IV, 5 – variant V.
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 3 73
Рис. 3. Зависимость концентрации углерода в частице соломы при поверхностном (а−в) и объемном (г) реагировании
от времени: 1 – вариант V, 2 – вариант VI, 3 – вариант VII.
Fig. 3. Time dependence between the carbon concentration in the straw particle at surface (а − в) and bulk (г) reaction: 1 –
variant V, 2 – variant VI, 3 – variant VII.
На рисунках 4 и 5 показано влияние концен-
траций кислорода и углекислого газа в газовой
смеси на процессы горения и газификации коксо-
зольной частицы соломы. С уменьшением со-
держания окислителя реагирование углерода
протекает, в основном, по гетерогенной эндотер-
мической реакции C+СO2=2CO, у которой энер-
гия активации существенно выше, чем у реакций
C+O2=CO2 и 2C+O2=2CO. Это приводит к
уменьшению скорости конверсии углерода
(dCC/dτw)VIII>(dCC/dτw)IX и
(dCC/dτvol)VIII>(dCC/dτvol)IX (рис. 4а, б, ср. кривые 2
и 3) и снижению температуры частицы tp
(рис. 5а, б, ср. кривые 2 и 3).
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 3 74
Рис. 4. Зависимость диаметра (в) и концентрации углерода в частице соломы (а − поверхностное реагирование, б −
объемное реагирование) от времени: 1 – вариант VII, 2 – вариант VIII, 3 – вариант IX.
Fig. 4. Time dependence between the diameter (в) and the carbon concentration in the straw particle (а − surface reaction, б
− bulk reaction): 1 – variant VII, 2 – variant VIII, 3 – variant IX.
Рис. 5. Зависимость температуры частицы соломы от времени при поверхностном реагировании: 1 – вариант VII, 2 –
вариант VIII, 3 – вариант IX.
Fig. 5. Time dependence of a straw particle temperature in the surface reaction: 1 – variant VII, 2 – variant VIII, 3 – variant IX.
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 3 75
Выводы. 1. Построены уравнения скорости
конверсии углерода в диапазонах поверхностного
и объемного реагирования с учетом кинетики
гетерогенных реакций для диффузионной, кине-
тической и переходной областей реагирования.
При выводе уравнений предполагалось, что в
зоне с высокой концентрацией углерода
( limC,C < CC < 0CC ) реагирование происходит на
поверхности частицы по модели сжимающегося
горючего ядра, вследствие чего диаметр частиц
уменьшается. На втором участке ( CC ≤ limC,C )
реагирование протекает в объеме при неизмен-
ном размере частицы. Здесь используется модель
прочного золового каркаса, когда реакция идет
во всем объеме частицы. На основе этих уравне-
ний разработана модель горения и газификации
коксозольной частицы твердого топлива в непо-
движном слое с учетом лучистого и кондуктив-
но-конвективного теплообмена между слоем и
частицей, эндотермических и экзотермических
гетерогенных химических реакций.
2. Предложенная модель позволяет получить
детальную информацию о геометрических, аэро-
динамических, тепловых и физико-химических
параметрах процессов горения и газификации
частицы биомассы в неподвижном слое.
3. Показано, что: а) временные интервалы
прогрева и термохимической переработки мел-
кой коксозольной частицы соломы существенно
меньше, чем крупной; б) расширение интервала
объемного реагирования способствует росту
времени выгорания частицы; г) с уменьшением
содержания окислителя в газовой смеси скорость
конверсии углерода и температура частицы
уменьшаются, вследствие чего время термохи-
мической переработки коксозольной частицы
соломы возрастает.
1. Rokhman B.B. Theoretical Investigation of the
Process of Steam-Oxygen Gasification of Coke-Ash Particles in
a Fluidized Bed Under Pressure // Journal of Engineering
Physics and Thermophysics. - March 2015. – Volume 88,
Issue 2. – Рp. 313–328.
2. Шрайбер А.А., Рохман Б.Б., Харченко А.В. К ма-
тематическому моделированию эволюции состояния горя-
щих частиц в псевдоожиженном слое // Пром. теплотехника.
1996. – Т. 18. – №1. – С. 86–91.
3. Рохман Б.Б. Моделирование процесса выгорания
коксозольных частиц в кипящем слое // Инженерно-
физический журнал. – 2012. – Т. 85, №3. - С. 526–534.
4. Баскаков А.П., Лукачевский Б.П., Мухленов И.П. и
др. Расчеты аппаратов кипящего слоя. Справочник. – Л.:
Химия, 1986. – 351 с.
5. Померанцев В.В., Арефьев К.И., Ахмедов Д.Б.и др.
Основы практической теории горения. – Л.: Энергоатомиз-
дат, 1986. – 312 с.
ЧИСЛОВЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ РІЗНИХ
ПАРАМЕТРІВ НА ПРОЦЕС ТЕРМОХІМІЧНОЇ
ПЕРЕРОБКИ КОКСОЗОЛЬНОІ ЧАСТИНКИ СОЛОМИ
В НЕРУХОМОМУ ШАРІ
Б.Б. Рохман1, доктор технічних наук, C.В. Клюс2, кандидат
технічних наук
1Інститут вугольних енерготехнологій НАН України
04070 м. Київ, вул. Андріївська, 19
2Інститут відновлюваної енергетики НАН України
02094 м. Київ, вул. Гната Хоткевича 20А
Побудовано модель процесу горіння і газифікації коксозоль-
ної частинки твердого палива в нерухомому шарі з ураху-
ванням радіаційного та кондуктивно-конвективного тепло-
обміну і гетерогенних хімічних реакцій. На базі розробленої
моделі проведено широкі числові дослідження впливу діаме-
тра частинки біомаси, змісту окислювача в газовій фазі і
співвідношення інтервалів поверхневого і об'ємного реагу-
вання на процес термохімічної переробки коксозольної ча-
стинки соломи в нерухомому шарі. Бібл. 5, рис. 5.
Ключові слова: нерухомий шар, солома, горіння, реакція,
теплообмін, концентрація, вуглець, кисень.
REFERENCES
1. Rokhman B.B. (2015). Theoretical Investigation of
the Process of Steam–Oxygen Gasification of Coke-Ash Parti-
cles in a Fluidized Bed Under Pressure Journal of Engineering
Physics and Thermophysics. – Volume 88, Issue 2. – Pp. 313–
328 (in Eng)
2. Shrayber A.A., Rokhman B.B., Kharchenko A.V.
(1996). K matematicheskomu modelirovaniyu evolyutsii sos-
toyaniya goryashchikh chastits v psevdoozhizhennom sloye [To
mathematical modeling of the evolution of the state of burning
particles in a fluidized bed] Prom. Teplotekhnika. – Volume 18,
№1, – Pp. 86–91 (in Rus)
3. Rokhman B.B. (2012). Modelirovaniye protsessa
vygoraniya koksozol'nykh chastits v kipyashchem sloye [Simula-
tion of the process of burning out of coke-ash particles in the
fluidized bed] Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal – Volume 85, №3,
– Pp. 526–534 (in Rus)
4. Baskakov A.P., Lukachevskiy B.P., Mukhlenov I.P.
(1986). Raschety apparatov kipyashchego sloya. Spravoch-
nik.[Calculations of fluidized bed apparatus. Reference book.] –
Leningrad, USSR: Khimiya, – 351 p. (in Rus)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2018. № 3 76
5. Pomerantsev V. V., Aref'yev K. I., Akhmedov D. B.
(1986). Osnovy prakticheskoy teorii goreniya [Fundamentals of
the practical theory of combustion]. – Leningrad, USSR: Ener-
goatomizdat, – 312 p. (in Rus)
SYNOPSES
Equations describing the rate of carbon conversion in the
range of surface and bulk reactions are obtained taking into ac-
count the kinetics of heterogeneous reactions for the diffusion,
kinetic and transition regions of the reaction. Deriving the equa-
tions, it was assumed that in the zone with a high carbon concen-
tration ( C,limC < CC < C0C ) reaction proceeds on the surface of the
particle according to the model of a compressible combustible
core, so that diameter of the particles decreases. In the second
zone ( CC ≤ C,limC ) reaction proceeds in the volume with the
same particle size. Here we use the model of a strong ash frame
when the reaction proceeds throughout the volume of the parti-
cle. On the basis of the constructed equations, a model for ther-
mochemical processing of the solid fuel coke-ash particle in a
fixed bed is developed, taking into account the radiative and
conductive-convective heat transfer between the bed and the
particle and the heat release of chemical heterogeneous reac-
tions. Numerical studies have been carried out in the intervals of
surface and volumetric reacting in order to obtain detailed infor-
mation on the geometric, aerodynamic, thermal, and physicochemi-
cal parameters of the combustion and gasification of a particle of
straw in a fixed bed. It is shown that: a) with a decrease in the size of
the coke-ash biomass particle, the time intervals for warming up and
burning out are narrowed; b) expansion of the range of the volumet-
ric reacting promotes an increase in the burnout time of the particle;
d) As the concentration of oxygen in the gas mixture decreases, the
rate of conversion of carbon and the temperature of the particle de-
crease, so that the time for the thermochemical treatment of the
coke-ash straw particle increases.
Стаття надійшла до редакції 19.06.18
Остаточна версія 29.08.18
02094 г. Киев, ул. Гната Хоткевича, 20А
02094 м. Київ, вул. Гната Хоткевича 20А
|
| id | veorgua-article-154 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:04:02Z |
| publishDate | 2018 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/62/759fe13d62d11377dddf8c9f982e6662.pdf |
| spelling | veorgua-article-1542026-07-18T06:32:11Z NUMERICAL INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF VARIOUS PARAMETERS ON THE THERMOCHEMICAL PROCESSING OF THE COKE-ASH STRAW PARTICLE IN THE FIXED BED ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРОЦЕСС ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КОКСОЗОЛЬНОЙ ЧАСТИЦЫ СОЛОМЫ В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ ЧИСЛОВЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ РІЗНИХ ПАРАМЕТРІВ НА ПРОЦЕС ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ КОКСОЗОЛЬНОЇ ЧАСТИНКИ СОЛОМИ В НЕРУХОМОМУ ШАРІ Rokhman, B. Klyus, S. fixed bed straw combustion reaction heat exchange concentration carbon oxygen нерухомий шар солома горіння реакція теплообмін концентрація вуглець кисень неподвижный слой солома горение реакция теплообмен концентрация углерод кислород Equations describing the rate of carbon conversion in the range of surface and bulk reactions are obtained taking into account the kinetics of heterogeneous reactions for the diffusion, kinetic and transition regions of the reaction. Deriving the equations, it was assumed that in the zone with a high carbon concentration (&lt;&lt;) reaction proceeds on the surface of the particle according to the model of a compressible combustible core, so that diameter of the particles decreases. In the second zone (≤) reaction proceeds in the volume with the same particle size. Here we use the model of a strong ash frame when the reaction proceeds throughout the volume of the particle. On the basis of the constructed equations, a model for thermochemical processing of the solid fuel coke-ash particle in a fixed bed is developed, taking into account the radiative and conductive-convective heat transfer between the bed and the particle and the heat release of chemical heterogeneous reactions. Numerical studies have been carried out in the intervals of surface and volumetric reacting in order to obtain detailed information on the geometric, aerodynamic, thermal, and physicochemical parameters of the combustion and gasification of a particle of straw in a fixed bed. It is shown that: a) with a decrease in the size of the coke-ash biomass particle, the time intervals for warming up and burning out are narrowed; b) expansion of the range of the volumetric reacting promotes an increase in the burnout time of the particle; d) As the concentration of oxygen in the gas mixture decreases, the rate of conversion of carbon and the temperature of the particle decrease, so that the time for the thermochemical treatment of the coke-ash straw particle increases. Построена модель процесса горения и газификации коксозольной частицы твердого топлива в неподвижном слое с учетом радиационного и кондуктивно-конвективного теплообмена и гетерогенных химических реакций. На базе разработанной модели проведены широкие численные исследования влияния диаметра частицы биомассы, содержания окислителя в газо-вой фазе и соотношения интервалов поверхностного и объемного реагирования на процесс термохимической переработки коксозольной частицы соломы в неподвижном слое. Побудовано модель процесу горіння і газифікації коксозоль-ної частинки твердого палива в нерухомому шарі з ураху-ванням радіаційного та кондуктивно-конвективного тепло-обміну і гетерогенних хімічних реакцій. На базі розробленої моделі проведено широкі числові дослідження впливу діаме-тра частинки біомаси, змісту окислювача в газовій фазі і співвідношення інтервалів поверхневого і об'ємного реагу-вання на процес термохімічної переробки коксозольної ча-стинки соломи в нерухомому шарі. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2018-09-11 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/154 Vidnovluvana energetika ; No. 3 (54) (2018): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 67-76 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 3 (54) (2018): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 67-76 Відновлювана енергетика; № 3 (54) (2018): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 67-76 2664-8172 1819-8058 ru https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/154/106 Copyright (c) 2018 B. Rokhman, S. Klyus https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | fixed bed straw combustion reaction heat exchange concentration carbon oxygen Rokhman, B. Klyus, S. NUMERICAL INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF VARIOUS PARAMETERS ON THE THERMOCHEMICAL PROCESSING OF THE COKE-ASH STRAW PARTICLE IN THE FIXED BED |
| title | NUMERICAL INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF VARIOUS PARAMETERS ON THE THERMOCHEMICAL PROCESSING OF THE COKE-ASH STRAW PARTICLE IN THE FIXED BED |
| title_alt | ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ НА ПРОЦЕСС ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КОКСОЗОЛЬНОЙ ЧАСТИЦЫ СОЛОМЫ В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ ЧИСЛОВЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ВПЛИВУ РІЗНИХ ПАРАМЕТРІВ НА ПРОЦЕС ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ КОКСОЗОЛЬНОЇ ЧАСТИНКИ СОЛОМИ В НЕРУХОМОМУ ШАРІ |
| title_full | NUMERICAL INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF VARIOUS PARAMETERS ON THE THERMOCHEMICAL PROCESSING OF THE COKE-ASH STRAW PARTICLE IN THE FIXED BED |
| title_fullStr | NUMERICAL INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF VARIOUS PARAMETERS ON THE THERMOCHEMICAL PROCESSING OF THE COKE-ASH STRAW PARTICLE IN THE FIXED BED |
| title_full_unstemmed | NUMERICAL INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF VARIOUS PARAMETERS ON THE THERMOCHEMICAL PROCESSING OF THE COKE-ASH STRAW PARTICLE IN THE FIXED BED |
| title_short | NUMERICAL INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF VARIOUS PARAMETERS ON THE THERMOCHEMICAL PROCESSING OF THE COKE-ASH STRAW PARTICLE IN THE FIXED BED |
| title_sort | numerical investigation of the influence of various parameters on the thermochemical processing of the coke-ash straw particle in the fixed bed |
| topic | fixed bed straw combustion reaction heat exchange concentration carbon oxygen |
| topic_facet | fixed bed straw combustion reaction heat exchange concentration carbon oxygen нерухомий шар солома горіння реакція теплообмін концентрація вуглець кисень неподвижный слой солома горение реакция теплообмен концентрация углерод кислород |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/154 |
| work_keys_str_mv | AT rokhmanb numericalinvestigationoftheinfluenceofvariousparametersonthethermochemicalprocessingofthecokeashstrawparticleinthefixedbed AT klyuss numericalinvestigationoftheinfluenceofvariousparametersonthethermochemicalprocessingofthecokeashstrawparticleinthefixedbed AT rokhmanb čislennoeissledovanievliâniârazličnyhparametrovnaprocesstermohimičeskojpererabotkikoksozolʹnojčasticysolomyvnepodvižnomsloe AT klyuss čislennoeissledovanievliâniârazličnyhparametrovnaprocesstermohimičeskojpererabotkikoksozolʹnojčasticysolomyvnepodvižnomsloe AT rokhmanb čislovedoslídžennâvplivuríznihparametrívnaprocestermohímíčnoípererobkikoksozolʹnoíčastinkisolomivneruhomomušarí AT klyuss čislovedoslídžennâvplivuríznihparametrívnaprocestermohímíčnoípererobkikoksozolʹnoíčastinkisolomivneruhomomušarí |