TWO-DIMENSIONAL MODEL OF THE SOLID FUEL GASIFICATION IN A FIXED BED UNDER PRESSER. 1. INVESTIGATION OF SHUBARKOL COAL CONVERSION IN A STEAM-OXYGEN MIXTURE WITH THE MASS PART OF H2О/O2=45/55
A non-stationary model of the steam-oxygen gasification of solid fuel in a fixed bed under pressure has been developed with allowance for the interphase convective heat exchange, radiation-conductive heat transfer of the solid phase, radiant and conductive heat exchange of the bed  with...
Saved in:
| Date: | 2019 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2019
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/192 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
| Download file: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103227091484672 |
|---|---|
| author | Rokhman, B. |
| author_facet | Rokhman, B. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "B. Rokhman",
"institution": "Coal Energy Technology Institute NAS of Ukraine, 04070, Kyiv, str. Andreevskaya 19"
}
] |
| author_sort | Rokhman, B. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:12Z |
| description | A non-stationary model of the steam-oxygen gasification of solid fuel in a fixed bed under pressure has been developed with allowance for the interphase convective heat exchange, radiation-conductive heat transfer of the solid phase, radiant and conductive heat exchange of the bed  with the reactor wall, heterogeneous and homogeneous chemical reactions, gravity and aerodynamic resistance. Temperature distribution of the phases, diameter of the coal particles, concentrations of the gas components over the bed height as a function of time during the gasification of Shubarkol long-flame coal under a pressure of 3 MPa at a ratio of mass fractions in the oxygen-oxygen mixture H2О/O2 = 45/55 is obtained. The obtained information can be used in the design of reactors, commissioning modes and the gas generator operation at various loads, when the process of steam-oxygen coal gasification is non-stationary due to the cyclical fuel supply and ash discharge by using a system of lock bins. It has been shown that the section of the oxidizing zone, where the temperature of the coal particles reaches its maximum value, is very narrow and is 10-11 mm. Two alternative modes of the gas generator operation are proposed. The first mode H2О/O2 = 40/60 is associated with an increase in the maximum temperature of the particles in a small area adjacent to the reactor bottom from to 1550 °C, which makes it possible to organize stable liquid slag removal from the gas generator. The second mode H2О/O2 = 72/28  is based on solid slag removal, when the temperature of the particles does not exceed 1000 °С. Referenses 11, tabl. 1, fig. 9. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2019.1(56).61-71 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:36Z |
| format | Article |
| fulltext |
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2019. № 1 61
УДК 532.529: 517.4
ДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В
НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ.
1. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕРСИИ ШУБАРКОЛЬСКОГО КАМЕННОГО УГЛЯ В
ПАРОКИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ ПРИ ОТНОШЕНИИ МАССОВЫХ ДОЛЕЙ
H2О/O2=45/55
Б.Б. Рохман, докт. техн. наук
Институт угольных энерготехнологий НАН Украины,
04070, г. Киев, ул. Андреевская 19.
Построена нестационарная модель процесса парокислородной газификации твердого топлива в фиксированном слое под
давлением с учетом межфазного конвективного теплообмена, радиационно-кондуктивного теплопереноса твердой фазы,
лучистого и кондуктивного теплообмена слоя со стенкой реактора, гетерогенных и гомогенных химических реакций, сил
тяжести и аэродинамического сопротивления.
Модель позволяет получить детальную информацию о распределении температур фаз, диаметра угольных частиц, кон-
центраций газовых компонентов по высоте слоя в зависимости от времени при газификации шубаркольского каменного
длиннопламенного угля под давлением 3 Мпа при отношении массовых долей в парокислородной смеси H2О/O2 = 45/55.
Полученная информация может быть использована при конструировании реакторов, пуско-наладочных режимах и работе
газогенератора на различных нагрузках, когда процесс парокислородной газификации угля является нестационарным из-за
цикличности подачи исходного топлива и выгрузки золы при помощи использование системы шлюзовых бункеров. Показано,
что участок окислительной зоны, где температура угольных частиц достигает максимального значения, очень узок и
составляет 10-11 мм. Предложены два альтернативных режима работы газогенератора. Первый из них H2О/O2 = 40/60
связан с повышением максимальной температуры частиц в области, прилегающей к поду реактора до
1550 С, что позволяет организовать устойчивое жидкое шлакоудаление из газогенератора. Второй режим H2О/O2=
72/28 основан на твердом шлакоудалении, когда температура частиц не превышает 1000 С. Библ.11, табл.1, рис.9.
Ключевые слова: неподвижный слой, уголь, теплопроводность, парокислородная газификация, температура.
TWO-DIMENSIONAL MODEL OF THE SOLID FUEL GASIFICATION IN A FIXED BED
UNDER PRESSER.
1. INVESTIGATION OF SHUBARKOL COAL CONVERSION IN A STEAM-OXYGEN
MIXTURE WITH THE MASS PART OF H2О/O2=45/55
B.B. Rokhman, doctor of technical sciences,
Coal Energy Technology Institute NAS of Ukraine,
04070, Kyiv, str. Andreevskaya 19
A non-stationary model of the steam-oxygen gasification of solid fuel in a fixed bed under pressure has been developed with allow-
ance for the interphase convective heat exchange, radiation-conductive heat transfer of the solid phase, radiant and conductive heat
exchange of the bed with the reactor wall, heterogeneous and homogeneous chemical reactions, gravity and aerodynamic re-
sistance. Temperature distribution of the phases, diameter of the coal particles, concentrations of the gas components over the bed
height as a function of time during the gasification of Shubarkol long-flame coal under a pressure of 3 MPa at a ratio of mass frac-
tions in the oxygen-oxygen mixture H2О/O2 = 45/55 is obtained. The obtained information can be used in the design of reactors,
commissioning modes and the gas generator operation at various loads, when the process of steam-oxygen coal gasification is non-
stationary due to the cyclical fuel supply and ash discharge by using a system of lock bins. It has been shown that the section of the
oxidizing zone, where the temperature of the coal particles reaches its maximum value, is very narrow and is 10-11 mm. Two alter-
native modes of the gas generator operation are proposed. The first mode H2О/O2 = 40/60 is associated with an increase in the max-
imum temperature of the particles in a small area adjacent to the reactor bottom from to 1550 °C, which makes it possible to organ-
ize stable liquid slag removal from the gas generator. The second mode H2О/O2 = 72/28 is based on solid slag removal, when the
temperature of the particles does not exceed 1000 С. Referenses 11, tabl. 1, fig. 9.
Keywords: fixed bed, coal, thermal conductivity, steam-oxygen gasification, temperature.
© Б.Б.Рохман, 2019
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2019. № 1 62
Б.Б. Рохман
B. Rokhman
Сведения об авторе: ведущий научный со-
трудник Института угольных энерготехноло-
гий НАН Украины, доктор технических наук.
Биографические данные Рохмана Б.Б. разме-
щены в известных мировых изданиях “Who's
Who in Science and Engineering” и “2000 Out-
standing Intellectuals of the 21st Century”.
Образование: Новочеркасский поли-
технический институт.
Научная сфера: Математическое моделиро-
вание аэродинамики, тепломассообмена и
химического реагирования полидисперсного
ансамбля твердого топлива в камерных и сло-
евых топках, в реакторах с циркулирующим
кипящим слоем и в кипящем слое.
Публикации: более 90 научных работ, из них
27 работ содержатся в наукометрической
базе Scopus и 4 в наукометрической базе Web
of Science.
ORCID: 0000-0002-1270-6102
Контакты: тел.: +38-044-425-53-77
e-mail: Brolene@yahoo.com
Author information: the leading researcher
of the Institute of Coal Energy Technologies
of the NAS of Ukraine, Doctor of Technical
Sciences. Biographical information of
Rohman B.B. is published in well-known
world directories "Who's Who in Science and
Engineering" and "2000 Outstanding Intel-
lectuals of the 21st Century".
Education: Novocherkassk Polytechnic
Institute.
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.
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: phone: +38-044-425-53-77
e-mail: Brolene@yahoo.com
Условные обозначения:
a степень черноты частицы; R объемная доля компонента газовой смеси;
A, N, O,
S, V, W
массовые доли золы, азота, кислорода, серы,
летучих веществ и влаги в твердом топливе;
r скорость гомогенной реакции,
кмоль/( м3·c);
B расход, кг/ч; t температура, С;
C концентрация газовых компонентов,
(кмоль/м3) или массовая доля углерода в твер-
дом топливе ;
T температура, K;
c теплоемкость, кДж/(кг·К); u скорость, м/с;
D коэффициент диффузии, м2/с; z аксиальная координата, м;
H высота (м) или массовая доля водорода; α коэффициент массообмена, м/с;
h коэффициент теплообмена между слоем и ча-
стицей, кДж/(с·м2·К);
δ диаметр частицы, м;
g ускорение свободного падения, м/с2; ε порозность слоя;
k константа скорости реакции, м/с; λ коэффициент теплопроводности,
кДж/(с·м·К);
L универсальная газовая постоянная
кДж/(кмоль·К);
η кинематическая вязкость, м2/с;
m масса, кг; μ молекулярная масса, кг/кмоль;
Nu критерий Нуссельта; ρ плотность, кг/м3;
P давление, Н/м2; τ время, с;
Q тепловой эффект реакции (кДж/кмоль) или
тепловой поток (кДж/(с·м3));
Ф параметр модели теплопроводности зерни-
стого слоя.
Индексы нижние:
ash зола;
A деформация золы;
bad слой;
B размягчение золы;
C жидкоплавкое состояние золы;
C углерод;
СО, CO2, CH4, H2O,
H2, C6H6,
CH3,147O0,5625
окись и двуокись углерода, ме-
тан, водяной пар, водород, бен-
зол, кислородосодержащее со-
единение;
C + O2, C + 0,5O2,
C + СO2, C + H2O
гетерогенные реакции;
CO + O2, H2 + O2,
CO + H2O,
CH4 + H2O
гомогенные реакции;
conv конвективный теплообмен;
H2O + O2 парокислородная смесь;
CO2→см, O2→см,
CO→см, H2O→см,
H2→см, C6H6→см,
CH4→см,
CH3,147O0,5625→см
диффузия углекислого газа, кис-
лорода, окиси углерода, водяно-
го пара, водорода, бензола, ме-
тана и кислородосодержащего
соединения в газовую смесь;
D диффузия;
d сухая масса;
g газ;
max максимальное значение;
p частица;
p→w передача тепла от частиц к стен-
ке;
slag шлак;
volat летучие вещества;
ф фиксированный углерод;
эф эффективный;
0 начальные условия.
mailto:Brolene@yahoo.com
mailto:Brolene@yahoo.com
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2019. № 1 63
Индексы верхние:
cond кондуктивный теплообмен; rad лучистый теплообмен;
daf сухая беззольная масса; r рабочая масса.
w поверхность;
Введение. В последние годы одной из прио-
ритетных задач промышленности и энергетики
является сокращение потребления дорогостояще-
го природного газа, использование которого де-
лает нерентабельным металлургическую про-
мышленность, производство различных химиче-
ских продуктов на основе природного газа,
например, аммиака, метанола, уксусной кислоты
и т. д. Для сокращения потребления объемов газа
необходимо широко внедрять газозамещающие
технологии, такие, например, как использование
твердых топлив (уголь, биоэнергетические ре-
сурсы) в доменных печах и энергетических уста-
новках для производства генераторного газа. Од-
ной из таких технологий термохимической пере-
работки твердого топлива является парокисло-
родная газификация дробленного угля в непо-
движном слое под давлением в газогенераторах
типа Lurgi (SEDIN), BGL.
Настоящая статья посвящена моделированию
и теоретическому исследованию нестационарно-
го процесса парокислородной газификации ча-
стиц шубаркольского каменного длиннопламен-
ного угля под давлением 3 МПа в неподвижном
слое ( r
фC = 43,48%,
r
volatC = 15,698%,
rS =
= 0,746%, rH = 4,117%, rO = 11,773%, rN =
= 1,139%,
rW = 14,5%, rA = 8,55%, Vdaf = 43,5%,
tA = 1100С, tB = 1420С, tC = 1440С). В отличие
от стационарного процесса, где распределение
физико-химических параметров дискретной и
газовой фаз в слое не зависит от времени из-за
равенства скоростей подачи и термохимической
переработки дробленного топлива, здесь рас-
сматривается случай одноразовой (невозобновля-
емой) загрузки исходного угля на колосниковую
решетку. При такой постановке задачи процесс
газификации является неустановившимся и ха-
рактеризуется изменяющимися во времени про-
филями температур и концентраций двухфазной
среды в слое.
В соответствии с изменениями, претерпевае-
мыми топливом на различных стадиях термохи-
мической переработки, неподвижный слой угля в
реакторе можно условно разделить на четыре зо-
ны (рис. 1). Первая из них (поз. 2), примыкающая
к колосниковой решетке, формируется из частиц
золы и шлака, образующихся за счет горения и
газификации исходного угля. Этот слой играет
роль засыпки, выравнивающей распределение
парокислородного дутья (поз. 1), и защищает ко-
лосники от перегрева. Над шлаковой подушкой
располагается окислительная зона (поз. 3), где
практически весь кислород на очень небольшом
участке слоя расходуется на конверсию углерода
и догорание продуктов газификации CO и H2.
Рис. 1. Схема парокисло-
родной газификации твер-
дого топлива в неподвиж-
ном слое: 1 – парокислород-
ная смесь; 2 – шлаковая по-
душка; 3 – зона окисления; 4
– зона газификации; 5 – зона
пиролиза; 6 – выход синте-
тического газа
Fig. 1. Scheme of steam-
oxygen gasification of solid
fuel in a fixed bed: 1 – steam-
oxygen mixture; 2 – slag pad;
3 – oxidation zone; 4 – gasifi-
cation zone; 5 – pyrolysis
zone; 6 –synthetic gas output
Эта область характеризуется максимальным
уровнем температур из-за высоких значений теп-
ловыделений гетерогенных и гомогенных химиче-
ских реакций. В восстановительной зоне (поз. 4)
газовые компоненты CO2 и H2O вступают в реак-
цию с углеродом с образованием горючих веществ
CO и H2. Указанная область имеет значительно
большую протяженность и более низкий уровень
температур по сравнению с окислительной зоной
за счет протекания в ней эндотермических восста-
новительных реакций с высокими значениями
энергии активации. В четвертой зоне (поз. 5) вы-
сушенные дробленные частицы угля нагреваются
бескислородной газовой смесью за счет межфаз-
ного конвективного теплообмена и радиационно-
кондуктивного теплопереноса твердой фазы, что
обеспечивает выход из дробленки летучих ве-
ществ, которые смешиваются с газовой средой,
выходящей из третьей зоны, тем самым формируя
генераторный газ на выходе из установки.
Постановка задачи. Предлагаемая модель
базируется на следующих основных предпосыл-
ках: 1) процесс нестационарный; 2) газовая смесь
в реакторе состоит из кислорода, диоксида и ок-
сида углерода, метана, водяного пара, водорода и
бензола; 3) дисперсная фаза включает монодис-
персные частицы сферической формы; 4) выход
летучих и протекание гетерогенных реакций го-
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2019. № 1 64
рения и газификации на поверхности угольных
частиц приводит к уменьшению их размера; 5)
усадка неподвижного слоя за счет термохимиче-
ской переработки твердого топлива не учитыва-
ется; 6) газ движется в режиме идеального вы-
теснения; 7) стехиометрическая схема реакций
включает в себя четыре гетерогенные реакции:
2 2 2 2
2 2
C O CO , C 0,5O CO,C СO
2CO и C H O CO H .
(1)
и пять гомогенных:
CH3,147O0,5625→0,09132CO+0,0581CO2+
+0,5042CH4+0,05783C6H6+
+0,03655H2+ 0,3549H2O,
CO+0,5O2=CO2, H2+0,5O2 =
=H2O, CO + H2O =CO2+H2 (2)
и CH4+H2О=CO+3H2.
В стехиометрической схеме реакций летучие
шубаркольского каменного длиннопламенного
угля представлены формулой кислородосодержа-
щего соединения CH3,147O0,5625, которое при нагре-
ве разлагается на газовые компоненты CO, CO2,
CH4, C6H6, H2 и H2O согласно первой реакции (2).
Слой прогревается высокотемпературной
смесью дымовых газов и воздуха до температуры
воспламенения частиц в узкой области, примы-
кающей к решетке. Далее происходит отключе-
ние теплоносителя и подача вместо него паро-
кислородной смеси с температурой
22 OOH t =
450С. За начало отсчета τ = 0 выбрано время
воспламенения твердой фазы.
Основные уравнения. Система уравнений,
описывающая аэродинамику, тепломассообмен и
химическое реагирование дробленных частиц и
газовой фазы в плотном слое газификатора, мо-
жет быть представлена в следующем виде.
Уравнение неразрывности для кислорода
2 2 2 2 2 2
2
2 2 2
w
O g O O C O C 0.5O O
O см
CO O H O
( ) 6( ) (1 ε)
τ δ
0,5 0,5 .
С u С С k k C
D
z z z
r r
(3)
Уравнение неразрывности для диоксида углерода
2 2 2 2 2 2 2
2 2
2 3,147 0,5625
w w
CO g CO CO C O O C СO CO
CO см CO O
CO H O CH O
( ) 6( )(1 ε)
τ δ
0,0581 .
С u С С k C k C
D r
z z z
r r
. (4)
Уравнение неразрывности для окиси углерода
δ
)ε1()(26)(
τ
w
OHOHC
w
COСOC
w
O0.5OCCO
смCO
COgCO 222222
CkCkCk
z
С
D
zz
СuС
0,56253,1472422 OCHOHCHOHCOOCO 0.09132rrrr . (5)
Уравнение неразрывности для метана
0,56253,14724
4
4
44 0,5042
)(
τ
OHCH
CH
смCH
CHgCH
OCHrr
z
С
D
zz
СuС
. (6)
Уравнение неразрывности для водяного пара
OHCOOH
w
OHOHCOH
смOH
OHgOH
222
222
2
22
δ
)ε1(6)(
τ
rr
Ck
z
С
D
zz
СuС
0,56253,147OCH0,3549r . (7)
Уравнение неразрывности для водорода
OHCHOHCOOH
w
OHOHCH
смH
HgH
24222
222
2
22 3
δ
)ε1(6)(
τ
rrr
Ck
z
С
D
zz
СuС
0,56253,147OCH0,03655r . (8)
Уравнение неразрывности для бензола
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2019. № 1 65
0,56253,147
66
66
6666
OCH
HC
смHC
HCgHC
0,05783
)(
τ
r
z
С
D
zz
СuС
. (9)
Уравнение неразрывности для кислородосодержащего соединения CH3,147O0,5625
0,56253,147
0,56253,1470,56253,147
OCH
3
2
τ
0
volatd
τ
0
volatvolatdd0p
OCHgOCH
μδτexp1π
τexp)1()ε1(6
)(
τ
dAV
dAAVVm
z
CuC
0,56253,147
0,56253,147
0,56253,147 OCH
OCH
смOCH r
z
С
D
z
. (10)
Уравнение изменения диаметра частиц
2
τ
0
volatd
2
τ
0
volatvolatdd
3
0
τexp13δ
τexp)1(δ
τ
δ
dAV
dAAVV
d
d
p
Cw
OHOHC
w
COСOC
w
O0.5OCOC
ρ
2μ
)2(
2222222
CkCkCkk . (11)
Уравнение сохранения количества движения газовой фазы
32
g
2
ggg
ggg
g
2
gggg
εδ
ε)-(1ρη150
ηρρ
)ρ(
τ
)ρ( u
z
u
z
g
z
P
z
uu
3
2
gg
δε
ε)-(1ρ75,1 u
. (12)
Уравнение теплового баланса частиц
22222222 COC
w
COСOC
w
OO5,0CO5,0COCOC
p
эф
pp
p )(λ
τ
)ε1(ρ QCkCQkQk
z
t
z
tc
cond
wp
rad
wpgpconvOHC
w
OHOHC
δ
)ε1(6
)(
222
QQtthQCk . (13)
Уравнение сохранения энергии несущей среды
δ
)ε1(6
)(λ
)ρ(
τ
ρ
gpconv
g
эфg,
ggggggg
tth
z
t
zz
tсutс
OHCHOHCHOHCOOHCOOHOHOCOOCO 242422222222 QrQrQrQr , (14)
где эффективный коэффициент теплопроводности λэф находится по формуле [1]
p
g
g
prad,
g
grad,
g
эф
λ3
λ2
λ
δα
/Ф1
1
ε1
λ
δα
1ε
λ
λ
. (15)
Коэффициент теплоотдачи излучением от частицы через газ мимо соседних зерен определяется
согласно выражению [1]
3
p
pp
9-
grad, 273)(
))ε-(1)/(2-(1ε1
1
100,227α
t
aa
, (16)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2019. № 1 66
коэффициент теплоотдачи излучением между соседними частицами [1]
p
3
pp9-
prad,
-2
273)(
100,227α
a
ta
, (17)
концентрации газовых компонентов на поверхности частицы и коэффициенты массообмена находят-
ся согласно [2]
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 ,
OHCOHD,
OHOHD,w
OH
22
22
2 α
α
k
С
C ,
COD,
w
OHOHC
w
COСOC
w
OO5,0CCOCOD,w
CO
α
)(2α
222222
CkCkCkС
C
,
δ
Nu
α
смO
OD,
2
2
D
,
δ
Nu
α
смCO
COD,
2
2
D
,
δ
Nu
α смCO
COD,
D
,
δ
Nu
α
смOH
OHD,
2
2
D
. (18)
Скорости реакций
22 OH r , OHCO 2r ,
2OCOr , OHCH 24
r , 0,56253,147OCHr и выхода летучих веществ из
угля определяются из выражений, приведенных в табл. 1.
Таблица 1. Кинетика гомогенных реакций.
Table 1. Kinetics of homogeneous reactions.
Реакции Выражения для скоростей реакций,
кмоль/( м3·c)
Лите-
ратура
CO +0,5O2=CO2 gg
30,25
O
0,5
OHCO
12
OCO 167,4·10exp·2,239·10
222
TLCCСr
[3]
H2+0,5O2 =H2O gg
31,5
O
0,25
H
1-15
OH 167·10exp6,8·10
2222
TLCCTr g
[3]
CO + H2O =CO2+H2
0,5
COOHgg
310
OHCO 22
288,3·10exp2,34·10 CСTLr
22 CO
0,5
Hgg
37 190·10exp2,2·10 СCTL
[4]
CH4+H2О=CO+
3H2
gg
3
OH
0,5
CH
7
OHCH 251·10exp8·10
2424
TLССr
gg
3
HCO
14- 27,3·10exp5,12·10
2
TLСС
[5]
CH3,147O0,5625→
0,09132CO+
0,0581CO2+
0,5042CH4+
0,05783C6H6+
0,03655H2+ 0,3549H2O
0,56253,1470,56253,147 OCHgg
36
OCH 60·10exp4,26·10 CTLr
[6]
Выход летучих ве-
ществ VA
d
dV
volat
τ
, p
5
volat 8900exp1,14·10 TA
[7]
Граничные условия на входе в слой (z = 0) для уравнений (3)–(14) находятся из выражений:
z
t
p
=
2COС = COС =
4CHС =
2HС =
66HCС =
0,56253,147OCHC = 0,
2OС = 0O2
С , OH2
С = O0H2
С ,
гп = гп0б еп = еп0б , (19)
а на выходе из слоя (я = Риув)
z
t
p
=
z
t
g
=
z
С
2O
=
z
С
2CO
=
z
С
CO =
z
С
4CH
=
z
С
OH2 = 0,
z
С
2H
=
z
С
66HC
=
z
С
0,56253,147OCH
=
z
u
g
= 0. (20)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2019. № 1 67
Численные результаты расчетов. Рассмот-
рим рабочий процесс парокислородной газифи-
кации дробленных частиц шубаркольского ка-
менного угля диаметром δ0 = 9 мм и плотностью
ρp = 1350 кг/м3 ( OH2
B = 1750 кг/ч,
2OB =
=2139 кг/ч и
22 OOH t = 450 С) в реакторе с непо-
движным слоем порозностью ε = 0,4, высотой
слоя 2,75 м и сечением 0,5 м2 под давлением Pg =
3 Мпа. Как отмечалось выше, окислительная зо-
на, где объемное содержание O2 снижается с
40,75 % до 1 % (риc. 2 а, кривая 2), располагается
в очень узком интервале 0,151 м < < z < 0,25 м и
упакована дробленными частицами, не содержа-
щими летучие вещества, о чем свидетельствует
рис. 2 в, кривая 2. Рассматриваемый диапазон
можно разделить на два характерных участка. На
первом из них 0,151 м < z < 0,161 м наблюдается
интенсивная конверсия коксозольных частиц в
парокислородной смеси за счет окислительных и
восстановительных гетерогенных реакций (см.
(1)) и догорание продуктов газификации CO и H2
согласно реакциям CO+0,5O2=CO2 и
H2+0,5O2=H2O. Здесь тепловыделение экзотер-
мических реакций превалирует над теплопогло-
щением эндотермических реакций, вследствие
чего температура tp возрастает с 450 С до мак-
симального значения 1365 С (риc. 3, кривая 2),
объемные доли CO2, CO и H2 в газовой смеси по-
вышаются до 0,1 %, 20 % и 7,4 %. Соответствен-
но величина OH2
R уменьшается с 59,25 % до 43,6
%, значение
2OR падает с 40,75 % до 28 % (риc.
2 a, рис. 4, рис. 5, кривые 2).
Рис. 2. Распределение объемной доли кислорода (а) и
летучих веществ (в) по высоте неподвижного слоя в за-
висимости от времени при отношении массовых долей в
парокислородной смеси H2О/O2 = 45/55: 1 – 60 с; 2 – 200 с;
3 – 260 с; 4 – 300 с; 5 – 400 с; 6 – 560 с.
Fig. 2. Distribution of the volume fraction of oxygen (а) and
volatile substances (в) over the height of the fixed bed as a
function of time with respect to the mass fractions in the
steam-oxygen mixture H2О/O2 = 45/55: 1 – 60 s; 2 – 200 s; 3 –
260 s; 4 – 300 s; 5 – 400 s; 6 – 560 s.
В этом интервале происходит резкое
убывание функции δ(τ, z) из-за конверсии
коксозольных частиц за счет гетерогенных
реакций (см. (1)), благодаря чему диаметр
дискретной фазы уменьшается с δ = 4,39 мм
до минимального размера частиц
δash = 3,96 мм, состоящих из золы (риc. 6,
кривая 2). Полученный таким образом
инертный материал формирует шлаковую
подушку, которая защищает колосники (поз.
2 (рис. 1)) от перегрева.
Рис. 3. Распределение температуры частиц по высоте
неподвижного слоя в зависимости от времени при отно-
шении массовых долей в парокислородной смеси H2О/O2
= 45/55 (обозначения те же, что на рис. 2).
Fig. 3. Temperature distribution of particles along the height
of the fixed bed as a function of time with the ratio of mass
fractions in the steam-oxygen mixture H2О/O2 = 45/55 (nota-
tions are the same as in Fig. 2).
Рис. 4. Распределение объемных долей компонентов газа
CO2 (а) и CO (в) по высоте неподвижного слоя в зависи-
мости от времени при отношении массовых долей в па-
рокислородной смеси H2О/O2 = 45/55 (обозначения те же,
что на рис. 2).
Fig. 4. The distribution of the volume fractions of the com-
ponents of the gas CO2 (а) and CO (в) over the height of the
fixed bed as a function of time with respect to the mass frac-
tions in the steam-oxygen mixture H2О/O2 = 45/55 (notations
are the same as in Fig. 2).
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2019. № 1 68
Рис. 5. Распределение объемных долей компонентов газа
H2 (а) и H2O (в) по высоте неподвижного слоя в зависи-
мости от времени при отношении массовых долей в па-
рокислородной смеси H2О/O2 = 45/55 (обозначения те же,
что на рис. 2).
Fig. 5. Distribution of the volume fractions of the compo-
nents of the gas H2 (а) and H2O (в) over the height of the
fixed bed depending on the time with respect to the mass
fractions in the steam-oxygen mixture H2О/O2 = 45/55 (nota-
tions are the same as in Fig. 2).
Рис. 6. Распределение диаметра частиц по высоте непо-
движного слоя в зависимости от времени при отношении
массовых долей в парокислородной смеси H2О/O2 = 45/55
(обозначения те же, что на рис. 2).
Fig. 6. The distribution of the diameter of the particles at the
height of the fixed bed depending on the time with respect to
mass fractions in the steam-oxygen mixture H2О/O2 = 45/55
(notations are the same as in Fig. 2).
На втором участке (окислительно-
восстановительная область реагирования) 0,161 м
< z < 0,25 м теплопоглощение эндотермических
реакций превосходит тепловыделение экзотерми-
ческих реакций. В результате значения tp и OH2
R
снижаются до 945 С и 4,7 %, объемные доли CO2,
CO и H2 продолжают возрастать и достигают ве-
личин 6,7 %, 60,7 % и 27,9 % соответственно, а
диаметр частиц уменьшается с 7,5 мм до 4,39 мм.
Бескислородная область 0,25 м < z < 1,9 м
характеризуется относительно низкими значени-
ями температур 410–945 С и объемным содер-
жанием в газе CO2 6,14–6,7 % и H2O 1,36–4,7 %,
что приводит к существенному снижению скоро-
стей восстановительных реакций C+СO2 =2CO и
C+H2O =CO+H2, поэтому концентрации газовых
компонентов CO, H2 и размер частиц мало изме-
няются в этом диапазоне.
Конвективный теплообмен между твердой и
газовой фазами и тепловыделение гомогенных
химических реакций CO+0,5O2=CO2 и
H2+0,5O2=H2O обеспечивают резкое возрастание
кривой tg(τ, z) с 450 С до максимального значе-
ния 995 С (рис. 7, кривая 2). Из рис. 3 и 7 видно,
что зависимости tp(τ, z) и tg(τ, z) подобны, однако
максимум кривой tg(τ, z) смещен относительно
максимума функции tp(τ, z) из первой зоны в
окислительно-восстановительную область реаги-
рования.
В зоне сухой перегонки 1,9 м < z < 2,75 м (поз.
5 (рис. 1)) происходит нагрев высушенной дроб-
ленки до температуры 240–410 С (рис. 3, кривая
2) за счет межфазного конвективного теплообмена
и радиационно-кондуктивного теплопереноса
твердой фазы, что обеспечивает интенсивный вы-
ход летучих веществ из угольных частиц.
Рис. 7. Распределение температуры газа по высоте непо-
движного слоя в зависимости от времени при отношении
массовых долей в парокислородной смеси H2О/O2 = 45/55
(обозначения те же, что на рис. 2).
Fig. 7. Gas temperature distribution over the height of the
fixed bed as a function of time with respect to the mass frac-
tions in the steam-oxygen mixture H2О/O2 = 45/55 (notations
are the same as in Fig. 2).
В модели летучие шубаркольского каменно-
го длиннопламенного угля представлены в виде
кислородосодержащего соединения, которое при
нагреве разлагается на компоненты пиролизного
газа согласно реакции CH3,147O0,5625→0,09132CO+
+0,0581CO2+0,5042CH4+0,05783C6H6+0,03655H2+
+0,3549H2O. Из этой реакции следует, что объ-
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2019. № 1 69
емные доли метана и водяного пара значительно
больше, чем диоксида углерода, окиси углерода и
водорода. Поэтому при смешении компонентов
летучих веществ с компонентами газа, выходя-
щего из зоны газификации поз. 4 (рис. 1), проис-
ходит уменьшение величин COR ,
2HR и возрас-
тание значений OH2
R ,
4CHR и
66HCR (рис. 4 в,
рис. 5, рис. 8, кривые 2). В пиролизной зоне за
счет выхода летучих веществ наблюдается
уменьшение диаметра частиц с 8,2 мм до 7,64 мм
(первый член уравнения (11); риc. 6, кривая 2).
С течением времени высота шлаковой по-
душки возрастает (∆zash(τ = 60 с) = 47,3 мм, ∆zash(τ
= 560 с) = 438,3 мм), вследствие чего зоны окис-
ления, газификации и пиролиза смещаются вверх
по вертикальной оси z (рис. 2–8, ср. кривые 1 и
6). Следует отметить, что выгорания компонен-
тов пиролизных газов C6H6, CH4 и кислородосо-
держащего соединения CH3,147O0,5625 не происхо-
дит, так как скорость убывания летучих веществ
по высоте слоя значительно выше, чем скорость
перемещения окислительной зоны. Например,
при τ = 260 с зона окисления располагается на
участке 0,21 м < z < 0,25 м, в то время как об-
ласть содержания летучих веществ находится в
диапазоне 2,188 м < z < 2,75 м (рис. 2, кривые 3).
Рис. 8. Распределение объемных долей компонентов газа
CH4 (а) и C6H6 (в) по высоте неподвижного слоя в зави-
симости от времени при отношении массовых долей в
парокислородной смеси H2О/O2 = 45/55 (обозначения те
же, что на рис. 2).
Fig. 8. Distribution of the volume fractions of the compo-
nents of the gas CH4 (а) and C6H6 (в) over the height of the
fixed bed as a function of time with respect to the mass frac-
tions in the steam-oxygen mixture H2О/O2 = 45/55 (notations
are the same as in Fig. 2).
По этой причине скорость распада комплекса
0,56253,147OCHr (см. табл. 1) была повышена за счет
уменьшения энергии активации с 108∙103 до
60∙103 кДж/кмоль. В результате более 99 % ком-
плекса CH3,147O0,5625 распадается на газовые ком-
поненты CO, CO2, CH4, C6H6, H2 и H2O и менее
1% остается в виде соединения CH3,147O0,5625.
Во временном интервале 0 < τ < 350 с состав
генераторного газа на выходе из реактора изменя-
ется. При τ = 60 с (на сухую массу):
COR = 40,82 %,
2HR = 19,3 %,
2COR = 15,3 %,
4CHR = 22 % и
66HCR = 2,53 %; τ = 260 с: COR =
= 58,36 %,
2HR = 28 %,
2COR = 6,4 %,
4CHR = 6,4 %
и
66HCR = 0,75 %, H2/CO = 0,48. Расчетный состав
газа при τ = 260 с хорошо согласуется с литера-
турными данными, приведенными в [8]:
COR = 58%,
2HR = 30 %,
2COR = 5 %,
4CHR = 6,9 %,
H2/CO = 0,52.
Диапазон τ > 350 c характеризуется отсут-
ствием летучих веществ в угольных частицах по
всей высоте неподвижного слоя (рис. 2 в, кривая
5). Поэтому с течением времени при интенсивном
перемещении границ зон окисления, газификации
и пиролиза по вертикальной оси z состав генера-
торного газа на выходе из реактора практически
не изменяется: COR = 61,3 %,
2HR = 30,13 %,
2COR = 7,68 %,
4CHR = 0 и
66HCR = 0 (рис. 4, рис. 5
а, рис. 8, ср. кривые 5 и 6).
При организации процесса газификации шу-
баркольского каменного длиннопламенного угля
в газогенераторе необходимо решить две про-
блемы. Первая из них связана с низкой зольно-
стью исходного топлива Ar = 8,55% (согласно
сертификату). Как отмечается в роботе [9], вели-
чина Ar в реальных условиях может снижаться до
3 %. Это приводит к значительному уменьшению
высоты шлаковой подушки, тем самым прибли-
жает диапазон максимальных тепловых потоков
к колосниковой решетке, что усиливает ее пере-
грев (риc. 3, кривая 1). Вторая задача связана с
низкой температурой начала шлакования tslag =
1003С, которая вычислялась по химическому
составу золы, приведенному в сертификате. Ве-
личина tslag оказывается ниже, чем температура
начала деформации золы tA = 1100С. Из риc. 3
следует, что максимальная температура частиц
при τ = 60 с составляет 1371С. Значение tp,max
оказывается выше, чем величина tslag, но меньше
температуры жидкоплавкого состояния золы
tC = 1440 С, что говорит о возможном формиро-
вании агломератов и шлаковании в области, при-
легающей к колосниковой решетке, вследствие
чего могут возникнуть проблемы с эксплуатаци-
ей газогенератора. Если испытания на действу-
ющей промышленной установке покажут нали-
чие серьезных проблем, тогда целесообразно рас-
смотреть организацию двух альтернативных ре-
жимов работы установки. Первый из них харак-
теризуется повышением максимальной темпера-
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2019. № 1 70
туры частиц в зоне максимальных тепловыделе-
ний с 1371 С до 1550 С за счет уменьшения от-
ношения массовых долей в парокислородной
смеси H2О/O2 с 45/55 до 40/60 (риc. 3, рис. 9, кри-
вые 1). Высокий уровень температур tp,max > tC в
узкой области, прилегающей к поду реактора,
обеспечивает устойчивое жидкое шлакоудаление
из газогенератора. На выходе из реактора полу-
чается следующий состав генераторного газа на
сухую массу. При τ = 280 с: COR = 65%,
2HR = 25,6%,
2COR = 3,8%,
4CHR = 5% и
66HCR =
= 0,57%; τ = 330 с: COR = 69%,
2HR = 27%,
2COR = 3,6%,
4CHR = 0,065% и
66HCR = 0. Эти
результаты хорошо согласуются с литературны-
ми данными, приведенными в [10]. Из состава
генераторного газа следует, что его калорийность
выше, чем при газификации угольной пыли в по-
токе [11].
Второй режим базируется на твердом шлако-
удалении, когда значение tp в окислительной зоне
не превышает 1000 С. Для построения этого ре-
жима необходимо устранить перегрев колосни-
ковой решетки за счет добавления инерта (отра-
ботанной золы) в исходное топливо, что позволит
повысить высоту шлаковой подушки и тем са-
мым стабилизировать тепловое состояние решет-
ки. Детальный анализ второго режима будет
представлен во второй части статьи.
Рис. 9. Распределение температуры частиц по высоте
неподвижного слоя в зависимости от времени при отно-
шении массовых долей в парокислородной смеси H2О/O2
= 40/60 (обозначения те же, что на рис. 2).
Fig. 9. Temperature distribution of particles along the height
of the fixed bed as a function of time with the ratio of mass
fractions in the steam-oxygen mixture H2О/O2 = 40/60 (nota-
tions are the same as in Fig. 2)/
Выводы. 1. Предложенная модель позволяет
получить детальную информацию о геометриче-
ских, аэродинамических, тепловых и физико-
химических параметрах парокислородной гази-
фикации твердого топлива под давлением в не-
подвижном слое в любой момент времени. Эта
информация может быть использована при кон-
струировании реакторов на стадиях эскизного,
технического и рабочего проектирования, пуско-
наладочных режимах и работе газогенератора на
различных нагрузках, когда процесс парокисло-
родной газификации угля является нестационар-
ным из-за цикличности подачи исходного топли-
ва и выгрузки золы при помощи системы шлюзо-
вых бункеров.
2. Показано, что:
а) участок окислительной зоны, где темпера-
тура угольных частиц шубаркольского каменного
длиннопламенного угля достигает максимально-
го значения, очень узок и составляет 10-11 мм;
б) основной процесс газификации коксозоль-
ных частиц протекает на малом окислительно-
восстановительном участке фиксированного слоя
∆zbed = 89 мм, что приводит к понижению темпе-
ратуры твердой фазы на 420 С и объемной доли
H2O до 4,7 %, вследствие чего оставшаяся часть
интервала газификации ∆zbed = 1,65 м является
малоэффективной;
в) кислородная и восстановительная зоны не
содержат пиролизных газов, так как скорость
убывания летучих веществ по высоте слоя значи-
тельно выше, чем скорость перемещения указан-
ных диапазонов;
г) в диапазоне 0 < τ < 350 с состав генератор-
ного газа на выходе из реактора изменяется из-за
интенсивного выхода летучих веществ из уголь-
ных частиц в зоне сухой перегонки в отличие от
интервала τ > 350, где отсутствует участок сухой
перегонки, благодаря чему состав уходящих га-
зов с течением времени не изменяется;
д) при τ = 260 с состав генераторного газа (на
сухую массу): COR = 58,36%,
2HR = 28%,
2COR =
= 6,4%,
4CHR = 6,4% и
66HCR = 0,75% хорошо
согласуется с литературными данными, приве-
денными в работе [8]: COR = 58%,
2HR = 30%,
2COR = 5%,
4CHR = 6,9%.
3. Предложены два альтернативных режима
работы газогенератора. Первый из них связан с
повышением максимальной температуры частиц
в малой области, прилегающей к поду реактора, с
1371 С до 1550 С, что позволяет организовать
устойчивое жидкое шлакоудаление из газогене-
ратора. Второй режим основан на твердом шлако-
удалении, когда температура частиц не превышает
1000 С. В этом случае для устранения перегрева
колосниковой решетки в исходное топливо добав-
ляется отработанная зола, что позволяет повысить
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2019. № 1 71
высоту шлаковой подушки и тем самым стабили-
зировать тепловое состояние решетки.
1. Аэров М. Э., Тодес О. М., Наринский Д. А. Аппараты со
стационарным зернистым слоем. Л. Химия. 1979. 176 с.
2. Rokhman B.B. Modeling and numerical investigation of
the process of vapor-oxygen gasification of solid fuels in a verti-
cal flow reactor under pressure. Journal of Ehgineering Physics
and Thermopysics. 2014. Vol. 87. No. 5. Pp. 1103-1115.
3. Westbrook C.K. Dryer F.L. Simplified reaction mecha-
nisms for the oxidation of hydrocarbon fuels in flames. Combust.
Sci. Technol. 1981. Vol. 27. Pp. 31-43.
4. Bustanmante F. Enick R.M. Killmeyer R.P. Howard
B.H. Rothenberger K.S. Cugini A.V. Morreale B.D. Ciocco M.V.
Uncatalyzed and wall-catalyzed forward water-gas shift reaction
kinetics. AIChE J. 2005. Vol. 51. Pp. 1440-1454.
5. Ma J., Zitney S.E. CFD modeling of entrained-flow gasi-
fiers with improved physical and chemical submodels. Energy
Fuels 2012. Vol. 26. Pp. 7195-7219.
6. Gómes-Barea A., Leckner B. Modeling of biomass gasi-
fication in fluidized bed. Progress in Energy and Combustion
Science. 2010. Vol. 36. Pp. 449-509.
7. Wen C.Y., Chaung T.Z. Entrainment Coal Gasification
Modeling. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1979. Vol. 18. №
4. Pp. 684-695.
8. Gräbner M. Industrial Coal Gasification Technologies
Covering Baseline and High Ash Coal. Wiley. 2014. 384 p.
9. Нагорнов А.Н. Исследование и разработка техноло-
гии газификации малозольных углей в плотном слое под
давлением при паровоздушном дутье. Автореферат диссер-
тации на соискание ученой степени кандидата технических
наук. Барнаул. 2010. 20 с.
10. Yoon H., Wei J., Denn M. A model for moving bed coal
gasification reactors. AIChE J. 1978. Vol. 24. №. 5. Pp. 885-903.
11. Рохман Б.Б. Моделирование тепломассообмена и
химического реагирования газодисперсного потока пыле-
видных частиц угля в высокотемпературном газификаторе.
Відновлювана енергетика. 2016. № 3. С. 13-26.
ДВОВИМІРНА МОДЕЛЬ ПРОЦЕСУ ГАЗИФІКАЦІЇ
ТВЕРДОГО ПАЛИВА В НЕРУХОМОМУ ШАРІ ПІД
ТИСКОМ. 1. ДОСЛІДЖЕННЯ КОНВЕРСІЇ ШУБАР-
КОЛЬСЬКОГО КАМ'ЯНОГО ВУГІЛЛЯ В ПАРОКИС-
НЕВІЙ СУМІШІ ПРИ СПІВВІДНОШЕННІ МАСОВИХ
ЧАСТОК H2О/O2=45/55
Б.Б. Рохман, доктор технічних наук
Інститут вугольних енерготехнологій НАН України
04070 м. Київ, вул. Андріївська, 19
Побудовано нестаціонарну модель процесу парокисневої
газифікації твердого палива в фіксованому шарі під тиском
з урахуванням міжфазного конвективного теплообміну,
радіаційно-кондуктивного теплопереносу твердої фази,
радіаційного і кондуктивного теплообміну шару зі стінкою
реактора, гетерогенних і гомогенних хімічних реакцій, сил
тяжіння і аеродинамічного опору. Отримано розподіл тем-
ператур фаз, діаметрів вугільних частинок, концентрацій
газових компонентів по висоті шару в залежності від часу
при газифікації шубаркольского кам'яного довгополуменево-
го вугілля під тиском 3 МПа при співвідношенні масових
часток в парокисневій суміші H2О/O2 = 45/55. Отримана
інформація може бути використана при конструюванні
реакторів, пуско-налагоджувальних режимах і роботі газо-
генератора на різних навантаженнях, коли процес парокис-
невої газифікації вугілля є нестаціонарним через циклічність
подачі вихідного палива і вивантаження золи за допомогою
використання системи шлюзових бункерів. Показано, що
ділянка окислювальної зони, де температура вугільних час-
тинок досягає максимального значення, дуже вузька і ста-
новить 10-11 мм. Запропоновано два альтернативних ре-
жими роботи газогенератора. Перший з них H2О/O2 = 40/60
пов'язаний з підвищенням максимальної температури час-
тинок в області, прилеглій до поду реактора до 1550 °С, що
дозволяє організувати стійке рідке шлаковидалення з газо-
генератора. Другий режим H2О/O2 = 72/28 базується на
твердому шлаковидаленні, коли температура частинок не
перевищує 1000 °С. Бібл.11, табл.1, рис.9.
Ключеві слова: нерухомий шар, вугілля, теплопроводність,
парокиснева газифікація, кондуктивний, радиаціоний, тем-
пература
REFERENCES
1. Aerov M. E., Todes O. M., Narinskiy D. Apparatyi so
statsionarnyim zernistyim sloem. [Apparatus with a stationary gran-
ular bed]. Leningrad. USSR. Khimiya. 1979. 176 p. [in Russian].
2. Rokhman B.B. Modeling and numerical investigation of
the process of vapor-oxygen gasification of solid fuels in a vertical
flow reactor under pressure. Journal of Ehgineering Physics and
Thermopysics. 2014. Vol. 87. No. 5. Pp. 1103-1115. [in English].
3. Westbrook C.K., Dryer F.L. Simplified reaction mecha-
nisms for the oxidation of hydrocarbon fuels in flames. Combust.
Sci. Technol.. 1981. No. 27. Pp. 31-43. [in English].
4. Bustanmante F., Enick R.M, Killmeyer R.P, Howard
B.H, Rothenberger K.S, Cugini A.V, Morreale B.D., Ciocco M.V.
Uncatalyzed and wall-catalyzed forward water-gas shift reaction
kinetics. AIChE J. 2005. No. 51. Pp. 1440-1454. [in English].
5. Ma J., Zitney S.E. CFD modeling of entrained-flow gasi-
fiers with improved physical and chemical submodels. Energy
Fuels. 2012. No. 26. Pp. 7195-7219. [in English].
6. Gómes-Barea A., Leckner B. Modeling of biomass gasi-
fication in fluidized bed. Progress in Energy and Combustion
Science. 2010. No. 36. Pp. 449-509. [in English].
7. Wen C. Y., Chaung T. Z. Entrainment Coal Gasification
Modeling. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev.. 1979. Vol. 18.
No. 4. Pp. 684-695. [in English].
8. Gräbner M. Industrial Coal Gasification Technologies
Covering Baseline and High‐ Ash Coal. Wiley. 2014. 384 p. [in
English].
9. Nagornov A. N. Issledovanie i razrabotka tehnologii ga-
zifikacii malozolnyh uglej v plotnom sloe pod davleniem pri
parovozdushnom dute. Avtoreferat dissertacii na soiskanie
uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. [Research and
development of technology for gasification of low-ash coals in a
dense bed under pressure with a vapor-air blast. Abstract of the-
sis for the degree of candidate of technical sciences]. Barnaul.
Russia. 2010. 20 p. [in Russian].
10. Yoon H., Wei J., Denn M. A model for moving bed coal
gasification reactors. AIChE J. 1978. Vol. 24. No. 5. Pp. 885-
903. [in English].
11. Rokhman B.B. Modelirovanie teplomassoobmena i
himicheskogo reagirovaniya gazodispersnogo potoka pylevidnyh
chastic uglya v vysokotemperaturnom gazifikatore. [Modelling
heat-and-mass transfer and chemical reaction of the gas-dispersed
flow of the pulverized coal particles in a high-temperature gasifi-
er]. Vidnovluvana energetika, 2016. No. 3. 13-26. [in Russian].
Стаття надійшла до редакції 20.11.18
Остаточна версія 12.03.19
|
| id | veorgua-article-192 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:04:51Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/01/2873e42bed262c3aeeeb4427a7cc1001.pdf |
| spelling | veorgua-article-1922026-07-18T06:32:12Z TWO-DIMENSIONAL MODEL OF THE SOLID FUEL GASIFICATION IN A FIXED BED UNDER PRESSER. 1. INVESTIGATION OF SHUBARKOL COAL CONVERSION IN A STEAM-OXYGEN MIXTURE WITH THE MASS PART OF H2О/O2=45/55 ДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ. 1. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕРСИИ ШУБАРКОЛЬСКОГО КАМЕННОГО УГЛЯ В ПАРОКИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ ПРИ ОТНОШЕНИИ МАССОВЫХ ДОЛЕЙ H2О/O2=45/55 Rokhman, B. fixed bed, coal, thermal conductivity, steam-oxygen gasification, temperature. неподвижный слой, уголь, теплопроводность, парокислородная газификация, температура. A non-stationary model of the steam-oxygen gasification of solid fuel in a fixed bed under pressure has been developed with allowance for the interphase convective heat exchange, radiation-conductive heat transfer of the solid phase, radiant and conductive heat exchange of the bed &nbsp;with the reactor wall, heterogeneous and homogeneous chemical reactions, gravity and aerodynamic resistance. Temperature distribution of the phases, diameter of the coal particles, concentrations of the gas components over the bed height as a function of time during the gasification of Shubarkol long-flame coal under a pressure of 3 MPa at a ratio of mass fractions in the oxygen-oxygen mixture H2О/O2 = 45/55 is obtained. The obtained information can be used in the design of reactors, commissioning modes and the gas generator operation at various loads, when the process of steam-oxygen coal gasification is non-stationary due to the cyclical fuel supply and ash discharge by using a system of lock bins. It has been shown that the section of the oxidizing zone, where the temperature of the coal particles reaches its maximum value, is very narrow and is 10-11 mm. Two alternative modes of the gas generator operation are proposed. The first mode H2О/O2 = 40/60 is associated with an increase in the maximum temperature of the particles in a small area adjacent to the reactor bottom from to 1550 °C, which makes it possible to organize stable liquid slag removal from the gas generator. The second mode H2О/O2 = 72/28&nbsp; is based on solid slag removal, when the temperature of the particles does not exceed 1000 °С. Referenses 11, tabl. 1, fig. 9. Построена нестационарная модель процесса парокислородной газификации твердого топлива в фиксированном слое под давлением с учетом межфазного конвективного теплообмена, радиационно-кондуктивного теплопереноса твердой фазы, лучистого и кондуктивного теплообмена слоя со стенкой реактора, гетерогенных и гомогенных химических реакций, сил тяжести и аэродинамического сопротивления. Модель позволяет получить детальную информацию о распределении температур фаз, диаметра угольных частиц, концентраций газовых компонентов по высоте слоя в зависимости от времени при газификации шубаркольского каменного длиннопламенного угля под давлением 3 Мпа при отношении массовых долей в парокислородной смеси H2О/O2 = 45/55. Полученная информация может быть использована при конструировании реакторов, пуско-наладочных режимах и работе газогенератора на различных нагрузках, когда процесс парокислородной газификации угля является нестационарным из-за цикличности подачи исходного топлива и выгрузки золы при помощи использование системы шлюзовых бункеров. Показано, что участок окислительной зоны, где температура угольных частиц достигает максимального значения, очень узок и составляет 10-11 мм. Предложены два альтернативных режима работы газогенератора. Первый из них H2О/O2 = 40/60 связан с повышением максимальной температуры частиц в области, прилегающей к поду реактора до 1550 °С, что позволяет организовать устойчивое жидкое шлакоудаление из газогенератора. Второй режим H2О/O2= 72/28 основан на твердом шлакоудалении, когда температура частиц не превышает 1000 °С. Библ.11, табл.1, рис.9. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2019-03-18 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/192 10.36296/1819-8058.2019.1(56).61-71 Vidnovluvana energetika ; No. 1(56) (2019): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 61-71 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1(56) (2019): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 61-71 Відновлювана енергетика; № 1(56) (2019): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 61-71 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2019.1(56) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/192/130 Copyright (c) 2019 B. Rokhman https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | fixed bed coal thermal conductivity steam-oxygen gasification temperature. Rokhman, B. TWO-DIMENSIONAL MODEL OF THE SOLID FUEL GASIFICATION IN A FIXED BED UNDER PRESSER. 1. INVESTIGATION OF SHUBARKOL COAL CONVERSION IN A STEAM-OXYGEN MIXTURE WITH THE MASS PART OF H2О/O2=45/55 |
| title | TWO-DIMENSIONAL MODEL OF THE SOLID FUEL GASIFICATION IN A FIXED BED UNDER PRESSER. 1. INVESTIGATION OF SHUBARKOL COAL CONVERSION IN A STEAM-OXYGEN MIXTURE WITH THE MASS PART OF H2О/O2=45/55 |
| title_alt | ДВУМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ. 1. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНВЕРСИИ ШУБАРКОЛЬСКОГО КАМЕННОГО УГЛЯ В ПАРОКИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ ПРИ ОТНОШЕНИИ МАССОВЫХ ДОЛЕЙ H2О/O2=45/55 |
| title_full | TWO-DIMENSIONAL MODEL OF THE SOLID FUEL GASIFICATION IN A FIXED BED UNDER PRESSER. 1. INVESTIGATION OF SHUBARKOL COAL CONVERSION IN A STEAM-OXYGEN MIXTURE WITH THE MASS PART OF H2О/O2=45/55 |
| title_fullStr | TWO-DIMENSIONAL MODEL OF THE SOLID FUEL GASIFICATION IN A FIXED BED UNDER PRESSER. 1. INVESTIGATION OF SHUBARKOL COAL CONVERSION IN A STEAM-OXYGEN MIXTURE WITH THE MASS PART OF H2О/O2=45/55 |
| title_full_unstemmed | TWO-DIMENSIONAL MODEL OF THE SOLID FUEL GASIFICATION IN A FIXED BED UNDER PRESSER. 1. INVESTIGATION OF SHUBARKOL COAL CONVERSION IN A STEAM-OXYGEN MIXTURE WITH THE MASS PART OF H2О/O2=45/55 |
| title_short | TWO-DIMENSIONAL MODEL OF THE SOLID FUEL GASIFICATION IN A FIXED BED UNDER PRESSER. 1. INVESTIGATION OF SHUBARKOL COAL CONVERSION IN A STEAM-OXYGEN MIXTURE WITH THE MASS PART OF H2О/O2=45/55 |
| title_sort | two-dimensional model of the solid fuel gasification in a fixed bed under presser. 1. investigation of shubarkol coal conversion in a steam-oxygen mixture with the mass part of h2о/o2=45/55 |
| topic | fixed bed coal thermal conductivity steam-oxygen gasification temperature. |
| topic_facet | fixed bed coal thermal conductivity steam-oxygen gasification temperature. неподвижный слой уголь теплопроводность парокислородная газификация температура. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/192 |
| work_keys_str_mv | AT rokhmanb twodimensionalmodelofthesolidfuelgasificationinafixedbedunderpresser1investigationofshubarkolcoalconversioninasteamoxygenmixturewiththemasspartofh2oo24555 AT rokhmanb dvumernaâmodelʹprocessagazifikaciitverdogotoplivavnepodvižnomsloepoddavleniem1issledovaniekonversiišubarkolʹskogokamennogouglâvparokislorodnojsmesipriotnošeniimassovyhdolejh2oo24555 |