MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 1. NUMERICAL RESULTS OF THERMAL-CHEMICAL PROCESSING OF PEAT IN A VAPOR- OXYGEN MIXTURE UNDER A PRESSURE OF 3 MPa
With the help of  the developed two-dimensional model presented in the first part of this work, which includes interfacial convective heat transfer, radiation-conductive heat transfer of the solid phase, radiant and conductive heat transfer of the fixed bed with the reactor wall, hetero...
Saved in:
| Date: | 2019 |
|---|---|
| Author Affiliations: |
|
| Keywords: | keywords |
| 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/219 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
| Download file: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103288150065152 |
|---|---|
| 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 | 2026-07-18T06:32:13Z |
| description | With the help of  the developed two-dimensional model presented in the first part of this work, which includes interfacial convective heat transfer, radiation-conductive heat transfer of the solid phase, radiant and conductive heat transfer of the fixed bed with the reactor wall, heterogeneous and homogeneous chemical reactions, gravity and aerodynamic resistance, the non-stationary gasification of Shubarkol  long-flame coal in a steam-oxygen mixture under a pressure of 3 MPa in a fixed bed with solid slag removal at a ratio of mass fractions of  gas components  H2О/O2=72/28 was  numerically investigated. It is shown: 1) in this mode, the temperature of coke-ash particles does not exceed 1000 0С due to the prevalence of heat generation of exothermic reactions C+O2=CO2, C+0,5O2=CO, CO+0,5O2=CO2 and H2+0,5O2=H2O over the heat absorption of endothermic reactions C+СO2=2CO and C+H2O=CO+H2 due to the high concentration of water vapor in the gas mixture. Therefore, calorie and quality of the generator gas (at the time τ = 260 s (by volume): CO=16,4%, H2=44,6%, СO2=27,6%, CH4=10,1% and C6H6=1,16%) is significantly inferior to the synthetic gas obtained with the ratio of mass fractions of gaseous components H2О/O2=40/60  (τ = 280 с: CO=65%, H2=25,6%, СO2=3,8%, CH4=5% and C6H6=0,57%) [1]; 2) To eliminate overheating of the grate due to the low height of the slag pad, due to low ash content of coal 3–9%, it is recommended to add waste ash to the initial fuel, which will increase the height of the protective inert bed. 3) the calculated composition of the synthetic gas at τ = 260 s is in good agreement with the literature data given in [2]: CO=12–21%, H2=37–41%, СO2=27–34% and CH4=10–13,5%. Ref. 1, tab. 1, fig. 10. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2019.3(58).78-90 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:46Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
© Б.Б. Рохман. 2019
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 78
УДК 532.529: 517.4 DOI: https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.3(58).78-90
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО
ТОПЛИВА В ФИКСИРОВАННОМ СЛОЕ:
1. ЧИСЛЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФА В
ПАРОКИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ 3 МПа
Б.Б. Рохман, докт. техн. наук
Институт возобновляемой энергетики НАН Украины,
04070, г. Киев, ул. Андреевская 19
Построена система параболических уравнений, описывающая нестационарный процесс аэродинамики, тепломассообмена
и химического реагирования твердого топлива (частиц торфа или биомассы) в парокислородной смеси в неподвижном слое
с учетом конвективного теплообмена между газом и дисперсной фазой, радиационно-кондуктивного теплопереноса твер-
дой фазы, лучистого и кондуктивного теплообмена частиц слоя со стенкой реактора, гетерогенных и гомогенных химиче-
ских реакций, сил тяжести и аэродинамического сопротивления. На основании полученной системы уравнений разработа-
ны алгоритм и программа, с использованием которой получена детальная информация о распределении основных парамет-
ров рабочего процесса термохимической переработки торфа под давлением 3 МПа в зависимости от времени для двух
вариантов: при отношении массовых долей в парокислородной смеси H2О/O2 = 70/30 и H2О/O2 = 40/60. Проведен сравни-
тельный анализ этих вариантов. Показано, что: а) в первом варианте H2О/O2 = 70/30, где в зоне максимальных тепловы-
делений температура частиц торфа оказывается ниже, чем температура начала деформации золы, организуется режим
газификации с твердым шлакоудалением. Во втором – H2О/O2 = 40/60 за счет высокой интенсификации процесса темпе-
ратура твердой фазы в окислительной зоне значительно превышает температуру жидкоплавкого состояния золы, что
позволяет организовать режим газификации торфа с устойчивым вытеканием жидкого шлака из газогенератора; б) ва-
риант 1 характеризуется высоким содержанием балласта в синтетическом газе CO2 = 22,4 % и H2O = 10,3 % и сравни-
тельно низкой объемной долей горючей части – CO+H2 = 67,4 %, по сравнению с вариантом 2 – CO2 = 1,5–2 %, H2O = 0,1–
0,6 % и CO+H2 = 98 %. Библ. 1, табл. 1, рис.10.
Ключевые слова: неподвижный слой, торф, теплопроводность, парокислородная газификация, кондуктивный, радиацион-
ный, температура.
MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN
A FIXED BED:
1. NUMERICAL RESULTS OF THERMAL-CHEMICAL PROCESSING OF PEAT
IN A VAPOR- OXYGEN MIXTURE UNDER A PRESSURE OF 3 MPa
B. Rokhman, doctor of technical sciences
Renewable Energy Institute of NAS of Ukraine,
02094, 20A, Hnata Khotkevicha Str., Kyiv, Ukraine
With the help of the developed two-dimensional model presented in the first part of this work, which includes interfacial convective
heat transfer, radiation-conductive heat transfer of the solid phase, radiant and conductive heat transfer of the fixed bed with the
reactor wall, heterogeneous and homogeneous chemical reactions, gravity and aerodynamic resistance, the non-stationary gasifica-
tion of Shubarkol long-flame coal in a steam-oxygen mixture under a pressure of 3 MPa in a fixed bed with solid slag removal at a
ratio of mass fractions of gas components H2О/O2=72/28 was numerically investigated. It is shown: 1) in this mode, the tempera-
ture of coke-ash particles does not exceed 1000 0С due to the prevalence of heat generation of exothermic reactions C+O2=CO2,
C+0,5O2=CO, CO+0,5O2=CO2 and H2+0,5O2=H2O over the heat absorption of endothermic reactions C+СO2=2CO and
C+H2O=CO+H2 due to the high concentration of water vapor in the gas mixture. Therefore, calorie and quality of the generator gas
(at the time τ = 260 s (by volume): CO=16,4%, H2=44,6%, СO2=27,6%, CH4=10,1% and C6H6=1,16%) is significantly inferior to
the synthetic gas obtained with the ratio of mass fractions of gaseous components H2О/O2=40/60 (τ = 280 с: CO=65%, H2=25,6%,
СO2=3,8%, CH4=5% and C6H6=0,57%) [1]; 2) To eliminate overheating of the grate due to the low height of the slag pad, due to
low ash content of coal 3–9%, it is recommended to add waste ash to the initial fuel, which will increase the height of the protective
inert bed. 3) the calculated composition of the synthetic gas at τ = 260 s is in good agreement with the literature data given in [2]:
CO=12–21%, H2=37–41%, СO2=27–34% and CH4=10–13,5%. Ref. 1, tab. 1, fig. 10.
Keywords: fixed bed, coal, thermal conductivity, steam-oxygen gasification, conductive, radiation, temperature.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.3(58).78-90
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 79
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 аэро-динамики, тепломассообмена и
химического реагирования поли-дисперсного
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
Перечень используемых обозначений и сокращений:
a - степень черноты частицы;
A, N, O, S, V, W - массовые доли золы, азота, кислорода, се-
ры, летучих веществ и влаги в твердом топ-
ливе;
B - расход, кг/ч;
C - концентрации газовых компонентов,
(кмоль/м3) или массовая доля углерода в
твердом топливе;
c - теплоемкость, кДж/(кг·К);
D - коэффициент диффузии, м2/с;
H - высота (м) или массовая доля водорода;
h - коэффициент конвективного теплообмена,
кДж/(с·м2·К);
g - ускорение свободного падения, м/с2;
k - константа скорости реакции, м/с;
m - масса, кг;
P - давление, Н/м2;
Q - тепловой эффект реакции (кДж/кмоль) или
тепловой поток (кДж/(с·м3));
R - объемная доля компонента газовой смеси;
r - скорость гомогенной реакции,
кмоль/(м3·c);
t - температура, С;
u - скорость, м/с;
z - аксиальная координата, м;
δ - диаметр частицы, м;
ε - порозность слоя;
λ - коэффициент теплопроводности,
кДж/(с·м·К);
η - кинематическая вязкость газа, м2/с;
μ - молекулярная масса, кг/кмоль;
ρ - плотность, кг/м3;
τ - время, с;
A - предэкспоненциальный множитель, с−1.
Индексы нижние:
ash − зола;
A − деформация золы;
bed − слой;
B − размягчение золы;
C − жидкоплавкое состояние золы
или углерод;
СО, CO2, CH4, H2O,
H2, C2H2,
CH2,71311O0,982248
− окись и двуокись углерода, метан,
водяной пар, водород, ацетилен,
кислородосодержащее соединение;
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, C2H2→см,
CH4→см,
CH2,71311O0,982248→см
− диффузия углекислого газа, кис-
лорода, окиси углерода, водяного
пара, водорода, ацетилена, метана и
кислородосодержащего соединения
в газовую смесь;
d − сухая масса;
g − газ;
max − максимальное значение;
p − частица;
p→w − передача тепла от частиц к
стенке;
volat − летучие вещества;
ф − фиксированный углерод;
эф − эффективный;
0 − начальные условия;
1, 2 − варианты расчета.
Индексы верхние:
cond − кондуктивный теплообмен;
daf − сухая беззольная масса;
w − поверхность;
rad − лучистый теплообмен;
r − рабочая масса.
Введение. Проблемы поиска возобновляе-
мых видов сырья и технологий их термохимиче-
ской переработки для промышленности и энерге-
тического комплекса в настоящее время чрезвы-
чайно актуальны. Одно из таких приоритетных
направлений – газификация торфа в неподвиж-
mailto:Brolene@yahoo.com
mailto:Brolene@yahoo.com
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 80
ном слое. По данным Международного торфяно-
го общества (IPS, 1995) торфяные ресурсы в мире
составляют более 400 млн. га, из которых ~ 305
млн. га эксплуатируются. Торф относится к мо-
лодым топливам и находится по своим энергети-
ческим показателям между древесиной и бурым
углем. Торф представляет собой продукты раз-
ложения растительных остатков и не успевших
разложиться элементов растений, степень разло-
жения которых растет с увеличением глубины
его залегания. Различают верховой, низинный и
смешанный виды торфа. В естественном состоя-
нии торф является сильно обводненным, поэтому
требуется его предварительная сушка. В воздуш-
но-сухом состоянии влажность торфа составляет
15–25 %. Отметим, что в торфе содержится зна-
чительное количество минеральных веществ,
которые существенно влияют на процесс газифи-
кации. В среднем элементный состав торфа мож-
но представить как: 3,4–9,4 % водорода, 54–60 %
углерода, 0,5–3,0 % азота, 28,5–39,5 % кислорода,
0,1–1,5 % серы.
В первой части статьи представлено матема-
тическое описание и численное исследование
нестационарного процесса парокислородной га-
зификации частиц торфа под давлением 3 МПа в
фиксированном слое (
r
фC = 13,52 %,
r
volatC =
= 11,94 %,
rS = 0,13 %,
rH = 2,7 %,
rO =
= 15,64 %,
rN = 1,13 %,
rW = 48,5 %,
rA = 6,44 %, Vdaf = 70 %, tA = 1140 С,
tB = 1280 С, tC = 1350 С). Здесь рассматривается
режим термохимической переработки сухого
торфа при его одноразовой загрузке в газогенера-
тор, где рабочий процесс характеризуется изме-
няющимися во времени профилями температур и
концентраций двухфазной среды в слое.
На рис. 1 приведена схема газификации ча-
стиц торфа в неподвижном слое в парокислород-
ной смеси. Рабочий процесс в газогенераторе,
исходя из изменений, претерпеваемых торфом
на различных стадиях термохимической перера-
ботки, можно условно разделить на четыре зоны.
Шлаковая подушка (поз. 2) формируется из ча-
стиц золы, образующихся за счет горения и гази-
фикации исходного угля. Эта зона защищает под
реактора от перегрева. Окислительная зона (поз.
3) включает в себя две области. В первой из них,
где большая часть кислорода в очень узком ин-
тервале слоя интенсивно расходуется на конвер-
сию углерода и догорание продуктов газифика-
ции CO и H2, температуры газа и частиц дости-
гают максимальных значений. На втором участке
(окислительно-восстановительная область реаги-
рования) теплопоглощение эндотермических ре-
акций C+СO2=2CO, C+H2O=CO+H2 превалирует
над тепловыделением экзотермических реакций
C+O2=CO2, C+0,5O2 =CO, CO+0,5O2=CO2 и
H2+0,5O2 =H2O, вследствие чего происходит рез-
кое падение температур газа и частиц и концен-
трации O2. Далее процесс газификации торфа
плавно переходит в бескислородную восстанови-
тельную зону (поз. 4), которая имеет значительно
большую протяженность по сравнению с окисли-
тельной областью из-за малых скоростей гетеро-
генных восстановительных реакций, обусловлен-
ных низким уровнем температур дискретной фа-
зы. В четвертой зоне (поз. 5) сухие частицы тор-
фа нагреваются бескислородной газовой смесью
за счет межфазного конвективного теплообмена
и радиационно-кондуктивного теплопереноса в
твердой фазе, что обеспечивает выход из исход-
ного топлива летучих веществ, которые смеши-
ваются с газовой средой, выходящей из третьей
зоны, тем самым формируя генераторный газ на
выходе из установки.
Рис. 1. Схема парокислородной газификации торфа в
фиксированном слое: 1 – парокислородная смесь; 2 – шла-
ковая подушка; 3 – зона окисления; 4 – зона газификации;
5 – зона пиролиза; 6 – выход синтетического газа.
Fig. 1. Scheme of steam-oxygen gasification of peat in a fixed
bed: 1 – steam-oxygen mixture; 2 – slag pad; 3 – oxidation
zone; 4 – gasification zone; 5 – pyrolysis zone;
6 – syngas outlet.
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
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 81
ацетилена; 3) дисперсная фаза формируется из
монодисперсных частиц сферической формы; 4)
выход летучих веществ приводит к понижению
плотности твердой фазы, а протекание гетеро-
генных реакций горения и газификации на по-
верхности частиц – к уменьшению их размера; 5)
усадка неподвижного слоя за счет конверсии
фиксированного углерода не учитывается; 6) газ
движется в режиме идеального вытеснения; 7)
стехиометрическая схема реакций включает в
себя четыре гетерогенные реакции:
C+O2=CO2, C+0,5O2 =CO, C+СO2 =2CO и
C+H2O =CO+H2
(1)
и пять гомогенных:
CH2,71311O0,982248→0,211773CO+
0,134764CO2+ 0,333524CH4+ 0,162893C2H2 +
0,0256683H2+ 0,500946H2O, CO+0,5O2=CO2,
H2+0,5O2 =H2O, CO + H2O =CO2+H2 и
CH4+H2О=CO+3H2.
(2)
В стехиометрической схеме реакций летучие
торфа представлены формулой кислородосодер-
жащего соединения CH2,71311O0,982248, которое при
нагреве разлагается на газовые компоненты CO,
CO2, CH4, C2H2, H2 и H2O согласно первой реак-
ции в (2).
Слой прогревается высокотемпературной
смесью дымовых газов и воздуха до достижения
температуры воспламенения частиц (более 600
С), расположенных в узкой области, примыка-
ющей к поду. Этот момент принят за начало от-
счета τ = 0. Далее происходит отключение тепло-
носителя и подача вместо него парокислородной
смеси с температурой
22 OOH t = 450 С.
Основные уравнения. Система уравнений,
описывающая аэродинамику и физико-
химические процессы в плотном слое газификато-
ра может быть представлена в следующем виде:
1. 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)
2. Уравнение неразрывности для диоксида углерода
2 2 2 2 2 2 2
2 2
2 2,71311 0,982248
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
0,134764
С u С С k C k C
D r
z z z
r r
(4)
3. Уравнение неразрывности для окиси углерода
2 2 2 2 2 2
2 2 4 2 2,71311 0,982248
w w w
C 0.5O O C СO CO C H O H Og COCO CO
CO см
CO O CO H O CH H O CH O
6 2( ) (1 ε)( )
τ δ
0,211773 .
k C k C k Cu СС С
D
z z z
r r r r
(5)
4. Уравнение неразрывности для метана
0,9822482,7131124
4
4
44
OCHOHCH
CH
смCH
CHgCH
0,333524
)(
τ
rr
z
С
D
zz
СuС
. (6)
5. Уравнение неразрывности для водяного пара
2 2 2 2 2
2 2 2 2
2,71311 0,982248
w
H O g H O H O C H O H O
H O см H O CO H O
CH O
( ) 6 (1 ε)
τ δ
0,500946 .
С u С С k C
D r r
z z z
r
(7)
6. Уравнение неразрывности для водорода
2 2 2 2 2
2 2 2 2 4 2
2,71311 0,982248
w
H g H H C H O H O
H см H O CO H O CH H O
CH O
( ) 6 (1 ε)
3
τ δ
0,0256683 .
С u С С k C
D r r r
z z z
r
(8)
7. Уравнение неразрывности для ацетилена
0,9822482,71311
22
22
2222
OCH
HC
смHC
HCgHC
0,162893
)(
τ
r
z
С
D
zz
СuС
. (9)
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 82
8. Уравнение неразрывности для кислородосодержащего соединения CH2,71311O0,982248
2,71311 0,982248 2,71311 0,982248
2,71311 0,982248
2,71311 0,982248
2,71311 0,982248
τ
p0 d d volat volat
CH O g CH O 0
2
τ
3
d volat CH O
0
CH O
CH O см
6(1 ε) (1 ) exp τ
( )
τ
π 1 exp τ δ μ
m V V A A d
C u C
z
V A d
С
D
z z
2,71311 0,982248CH O .r
(10)
9. Уравнение изменения диаметра частиц
p
Cw
OHOHC
w
COСOC
w
O0.5OCOC
ρ
2μ
)2(
τ
δ
2222222
CkCkCkk
d
d
. (11)
10. Уравнение изменения плотности частиц
2
τ
0
volatd
τ
0
volatvolatddp0
p
τexp1
τexp)1(ρ
τ
ρ
dAV
dAAVV
d
d
. (12)
11. Уравнение сохранения количества движения газовой фазы
2 2
g g g g g g g g g
g g g 2 3
2
g g
3
(ρ ) (ρ ) 150η ρ (1-ε)
ρ ρ η
τ δ ε
1,75ρ (1-ε)
.
δε
u u P u u
g
z z z z
u
(13)
12. Уравнение теплового баланса частиц
22222222 COC
w
COСOC
w
OO5,0CO5,0COCOC
p
эф
p
pp )(λ
τ
)ε1(ρ QCkCQkQk
z
t
z
t
c
cond
wp
rad
wpgpconvOHC
w
OHOHC
δ
)ε1(6
)(
222
QQtthQCk (14)
2
τ
0
volatd
τ
0
volatvolatddp0pp
τexp1
τexp)1(ρ)ε1(
dAV
dAAVVtc
.
13. Уравнение сохранения энергии несущей среды
2 2 2 2 2 2 2 2 4 2 4 2
g g g g g g g g
g,эф conv p g
CO O CO O H O H O CO H O CO H O CH H O CH H O
ρ (ρ ) 6(1 ε)
λ ( )
τ δ
.
с t u с t t
h t t
z z z
r Q r Q r Q r Q
(15)
где эффективный коэффициент теплопроводно-
сти λэф, концентрации газовых компонентов на
поверхности частицы
w
O2
C ,
w
CO2
C ,
w
OH2
C и
w
COC ,
скорости реакций
22 OH r , OHCO 2r ,
2OCOr ,
OHCH 24
r и 0,9822482,71311OCHr и выхода летучих ве-
ществ из торфа определяются согласно [1].
Граничные условия на входе в слой (z = 0)
для уравнений параболического типа (3)–(10),
(13)–(15) находятся из выражений:
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 83
z
t
p
=
2COС = COС =
4CHС =
2HС =
22HCС
=
0,9822482,71311OCHC = 0,
2OС = 0O2
С , OH2
С =
O0H2
С , ug = ug0, tg = tg0,
(16)
на выходе из слоя (z = Hbed) –
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
22HC
=
z
C
0,9822482,71311OCH
=
z
u
g
= 0.
(17)
Результаты численных расчетов. Обсудим
два варианта расчета парокислородной газифи-
кации частиц торфа плотностью 1450 кг/м3 в
фиксированном слое порозностью ε = 0,4, высо-
той слоя 1,61 м и диаметром 0,8 м под давлением
Pg = 3 МПа. Вариант 1: H2О/O2 = 70/30
( OH2
B = 1568 кг/ч,
2OB = 672 кг/ч), δ = 15 мм;
вариант 2: H2О/O2 = 40/60 ( OH2
B = 1065 кг/ч,
2OB = 1598 кг/ч), δ = 30 мм. Во всех вариантах
температура парокислородной смеси
22 OOH t =
=450 С и скорость газа на входе в слой
ug0 = 0,2 м/с.
Окислительная зона 0 < z < 0,1036 м
(τ = 30 с) включает в себя два участка. В первом
интервале 0 < z < 0,028 м происходит интенсив-
ная конверсия коксозольных частиц в парокисло-
родной смеси за счет гетерогенных реакций
C+O2=CO2, C+0,5O2=CO, C+СO2 =2CO и C+H2O
=CO+H2 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 465 С до мак-
симального значения 818,5 С, содержание O2 и
H2O в газовой смеси падает с 19,41 % и 80,55 %
до 16,49 % и 72,84 %, соответственно, объемные
доли газовых компонентов CO2, CO и H2 повы-
шаются и достигают следующих значений:
2COR = 1,26 %, COR = 5,38 % и
2HR = 3,967 %
(риc. 2–5, кривые 1).
Риc. 2. Распределение температур газа и частиц торфа по высоте неподвижного слоя в зависимости от времени при
отношении массовых долей компонентов парокислородной смеси H2О/O2 = 70/30:
1 – 30 с; 2 – 70 с; 3 – 111 с; 4 – 151 с; 5 – 272 с.
Fig 2. Temperature distribution of the gas and peat particles over the height of the fixed bed as a function of time when the
ratio of the mass fractions of the components of the vapor-oxygen mixture H2О/O2 = 70/30:
1 – 30 s; 2 – 70 s; 3 – 111 s; 4 – 151 s; 5 – 272 s.
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 84
Рис. 3. Распределение объемной доли кислорода и диаметра частиц по высоте неподвижного слоя в зависимости от
времени при отношении массовых долей парокислородной смеси H2О/O2 = 70/30 (обозначения те же, что на рис. 2).
Fig. 3. Distribution of the volume fraction of oxygen and the particle diameter over the height of the fixed bed as a function of
time with a ratio of the mass fractions of an oxygen-oxygen mixture H2О/O2 = 70/30 (notations are the same as in Fig. 2).
Рис. 4. Распределение объемных долей компонентов газа H2 и H2О по высоте неподвижного слоя в зависимости от
времени при отношении массовых долей парокислородной смеси H2О/O2 = 70/30 (обозначения те же, что на рис. 2).
Fig. 4. Volume fractions distribution of the gas components H2 and H2О over the height of the fixed bed as a function of
time with a ratio of the mass fractions of the vapor-oxygen mixture H2О/O2 = 70/30 (notations are the same as in Fig. 2).
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 85
Рис. 5. Распределение объемных долей компонентов газа CO2 и CO по высоте неподвижного слоя в зависимости от
времени при отношении массовых долей парокислородной смеси H2О/O2 = 70/30 (обозначения те же, что на рис. 2).
Fig. 5. Volume fractions distribution of the gas components CO2 and CO over the height of the fixed bed as a function of
time with a ratio of the mass fractions of the vapor-oxygen mixture H2О/O2 = 70/30 (notations are the same as in Fig. 2).
В этом интервале происходит убывание
функции δ(τ, z) из-за конверсии частиц торфа за
счет гетерогенных реакций, благодаря чему диа-
метр дискретной фазы уменьшается с
δ = 10,69 мм до минимального размера частиц δash
= 10,3 мм, состоящих из золы (риc. 3, кривая 1).
Полученный таким образом инертный материал
формирует шлаковую подушку (поз. 2 на рис. 1),
которая защищает колосники от перегрева.
Во втором интервале (окислительно-
восстановительная область реагирования)
0,028 м < z < 0,1036 м, где объемная доля O2 па-
дает до 1 %, теплопоглощение эндотермических
реакций превосходит тепловыделение экзотер-
мических реакций. В результате значения tp и
OH2
R снижаются до 704,1 С и 19,9 %, объемные
доли CO2, CO и H2 продолжают возрастать и до-
стигают величин 19,98 %, 22,25 % и 36,9 %, соот-
ветственно, а диаметр частиц уменьшается с
14,53 мм до 10,69 мм.
В бескислородной восстановительной зоне
0,1036 м < z < 0,693 м, где температура частиц
торфа и объемная доля водяного пара уменьша-
ются до 494,6 С и 10,96 %, наблюдается слабый
рост значений функций
2COR (τ, z) = 22,66 % и
2HR (τ, z) = 42,9 %, в то время как зависимость
COR (τ, z) в точке z = 0,29 м достигает своего
максимального значения 24,94 %. На участке
0,29 м < z < 0,693 м кривая COR (τ, z) убывает до
величины 23,4 %. Такое поведение зависимостей
2COR (τ, z),
2HR (τ, z) и COR (τ, z) связано с проте-
канием химических реакций C+СO2=2CO,
C+H2O=CO+H2 и CO+H2O→CO2+H2. В рассмат-
риваемой области за счет гетерогенных восста-
новительных реакций отмечается уменьшение
размера частиц торфа с 15 мм до 14,53 мм.
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 687,8 С (рис. 2, кривая 1).
Видно, что зависимости tp(τ, z) и tg(τ, z) по-
добны, однако максимум кривой tg(τ, z) сдвинут
вверх по вертикальной оси z на 72 мм относи-
тельно максимума функции tp(τ, z).
В зоне пиролиза 0,693 м < z < 1,61 м (поз. 5,
рис. 1) происходит, нагрев сухой дискретной фа-
зы до температуры 287,5-494,6 С (рис. 2, кривая
1) за счет межфазного конвективного теплообме-
на и радиационно-кондуктивного теплопереноса
в твердой фазе, что обеспечивает интенсивный
выход летучих веществ из частиц торфа. В ре-
зультате этого наблюдается рост зависимостей
4CHR (τ, z) и
22HCR (τ, z) (рис. 6 a, кривые 1, 3).
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 86
Рис. 6. Распределение объемных долей компонентов газа CH4, C2H2 и летучих веществ по высоте неподвижного слоя
в момент времени 30 с при отношении массовых долей парокислородной смеси H2О/O2 = 70/30 (a) и H2О/O2 = 40/60
(b): 1 – C2H2; 2 – V; 3 – CH4.
Fig. 6. Volume fractions distribution of the gas components CH4, C2H2 and volatiles by the height of the fixed bed at time 30
s with a ratio of mass fractions of oxygen-vapor mixture H2О/O2 = 70/30 (a) and H2О/O2 = 40/60 (b): 1 – C2H2; 2 – V; 3 – CH4
Следует обратить внимание на характер по-
ведения кривых COR (τ, z),
2COR (τ, z),
2HR (τ, z) и
OH2
R (τ, z) в рассматриваемом диапазоне (рис. 4 и
рис. 5, кривые 1). В интервале 0,693 м <z<0,824 м
объемные доли CO2 и H2 достигают максималь-
ных значений
2COR (τ, z) = 23,56 % и
2HR (τ, z) =
=43,15 %, в то время как зависимости COR (τ, z) и
OH2
R (τ, z) монотонно убывают до величин 21 % и
10,46 %, соответственно. Такое поведение можно
объяснить протеканием реакции водяного сдвига
CO+H2O→CO2+H2. На участке 0,824 м < z < 1,61
м наблюдается уменьшение значений функций
COR (τ, z),
2COR (τ, z) и
2HR (τ, z) и возрастание
зависимости OH2
R (τ, z). Такое поведение кривых
обусловлено разложением кислородосодержаще-
го комплекса CH2,71311O0,982248→0,211773CO+
+0,134764CO2+0,333524CH4+0,162893C2H2+
0,0256683H2+0,500946H2O. Из этого следует, что
объемные доли метана и водяного пара значи-
тельно больше, чем водорода, диоксида и оксида
углерода. Поэтому при смешении компонентов
летучих веществ с компонентами газа, выходя-
щего из зоны газификации (поз. 4 на рис. 1), про-
исходит уменьшение величин COR ,
2COR ,
2HR и
возрастание значения OH2
R . В области сухой пе-
регонки плотность частиц торфа уменьшается за
счет выхода летучих веществ при неизменном
диаметре дисперсной фазы (см. (12)).
Кроме того с увеличение времени высота
шлаковой подушки возрастает (∆zash(τ = 70 с) =
=104 мм, ∆zash(τ = 272 с) = 602 мм), вследствие
чего зоны окисления, газификации и пиролиза
смещаются вверх по вертикальной оси z (рис. 2,
ср. кривые 1 и 5). Здесь скорость перемещения
окислительной зоны оказывается значительно
меньше, чем скорость убывания летучих веществ
по высоте слоя. По этой причине выгорания ком-
понентов пиролизных газов и кислородосодер-
жащего соединения CH2,71311O0,982248 не происхо-
дит. Например, при τ = 30 с зона окисления рас-
полагается на участке 0 < z < 0,1036 м, в то время
как область, содержащая летучие вещества,
находится в диапазоне 0,693 м < z < 1,61 м, т.е.
эти области не пересекаются (рис. 3, кривая 1;
рис. 6 a, кривая 2). Таким образом, состав генера-
торного газа на выходе из реактора необходимо
рассматривать как сумму синтетического газа –
результата конверсии фиксированного углерода
и пиролизного газа.
С течением времени количество летучих ве-
ществ в дискретной фазе фиксированного слоя
уменьшается (при 0 < τ ≤ 30 с в сечении z = 1,61 м
количество летучих снизилось с
d
maxV = 61,25 %
до 32,86 % (рис. 6 a, кривая 2)), вследствие чего
состав генераторного газа на выходе из реактора
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 87
будет изменятся, о чем свидетельствуют данные,
приведенные в таблице. Видно, что в интервале 0
< τ ≤ 70 с и V > 0 состав генераторного газа на
выходе из реактора значительно изменяется. В
диапазоне τ > 70 c и V → 0 продукт газификации
изменяется незначительно.
В варианте 1 в зоне максимальных тепловы-
делений температура частиц торфа не превышает
818,5 С и оказывается ниже, чем температура
начала деформации золы tA = 1140 С, что позво-
ляет организовать режим газификации в реакторе
с твердым шлакоудалением.
Таблица 1. Объемные доли компонентов генераторного газа на выходе из реактора.
Table 1. Volume fractions of the generator gas components at the outlet of the reactor.
Время, с CH2,71311
O0,982248, %
H2
%
CO2
%
CO
%
CH4
%
C2H2
%
H2O
%
Вариант 1
10 18,82 7,66 11,08 11,76 16,63 8,11 25,92
30 8,63 20,71 16,68 14,81 12,48 6,09 20,6
70 1,24 38,77 23,03 19,4 4,08 1,99 11,48
110 – 43,28 22,35 24,34 – – 10,04
210 – 42,82 22,57 23,78 – – 10,84
Вариант 2
10 16,4 2,26 7,48 15,91 17,68 8,63 31,63
30 5,69 11,57 6,56 35,89 13,1 6,39 20,79
70 – 27,32 1,5 71,02 – – 0,153
110 – 27,23 1,31 71,4 – – 0,0572
210 – 26,83 1,79 70,96 – – 0,405
В варианте 2 для повышения эффективности
рабочего процесса (калорийности и качества ге-
нераторного газа) массовая доля O2 была увели-
чена с 30 % до 60 %, а H2O – уменьшена с 70 %
до 40 % по сравнению с вариантом 1, вследствие
чего температура частиц в окислительной зоне
возросла с tp,max1 = 818,5 С до tp,max2 = 1590 С и
стала превалировать над температурой жидко-
плавкого состояния золы tC = 1350 С. Это позво-
ляет построить режим термохимической перера-
ботки торфа с устойчивым жидким шлакоудале-
нием (рис. 2 и рис. 7, кривые 2).
Рис. 7. Распределение температур газа и частиц по высоте неподвижного слоя в зависимости от времени при отно-
шении массовых долей компонентов парокислородной смеси H2О/O2 = 40/60: 1 – 30 с; 2 – 70 с; 3 – 151 с; 4 – 232 с; 5 –
333 с.
Fig. 7. Temperature distribution of gas and particles along the height of the fixed bed depending on the time with a ratio of
mass fractions of the vapor-oxygen mixture components H2О/O2 = 40/60: 1 – 30 s; 2 – 70 s; 3 – 151 s; 4 – 232 s; 5 – 333 s.
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 88
В даной работе приведено сравнительный
анализ вариантов: 1) скорости гомогенных и ге-
терогенных реакций в варианте 2 значительно
выше, чем в первом, благодаря чему скорость
перемещения верхней границы шлаковой подуш-
ки в варианте 2, больше, чем в варианте 1, не-
смотря на тот факт, что δ02 > δ01 (∆zash1 (τ = 272 с)
= 602 мм, (∆zash2 (τ = 232 с) = 1022 мм; рис. 3,
кривая 5 и рис. 8, кривая 4); 2) состав синтетиче-
ского газа в варианте 1 (τ > 70 c) характеризуется
большим содержанием балласта CO2 = 22,4 % и
H2O = 10,3 % и сравнительно низкой объемной
долей горючей части – CO+H2 = 67,4 %, в отли-
чие от второго (τ > 30 c) – CO2 = 1,5–2 %,
H2O = 0,1–0,6 % и CO+H2 = 98 % (рис. 4, рис. 5 и
рис. 9, рис. 10, кривые 3, 4); 3) хотя скорость пе-
ремещения окислительной зоны по высоте слоя в
варианте 2 значительно выше, чем в первом, од-
нако ее недостаточно для взаимодействия окис-
лительной области с зоной сухой перегонки,
вследствие чего здесь не происходит окисление
пиролизных газов (при τ = 30 с: окислительная
зона – 0 < z < 0,298 м, зона сухой перегонки –
0,611 м < z < 1,61 м; рис. 8, кривая 1; рис. 6 b,
кривая 2); 4) подобно варианту 1 во втором вре-
менной интервал 0 < τ < 210 c можно условно
разделить на две области (см. табл.). В первой из
них 0 < τ ≤ 30 с и V > 0 состав генераторного газа
на выходе из реактора существенно изменяется.
Во второй области τ > 30 c летучие вещества в
дискретной массе слоя отсутствуют, поэтому
объемные доли компонентов синтетического газа
изменяются незначительно; 5) несмотря на вы-
шеизложенные преимущества второго варианта
над первым, реализация варианта 2 требует
больших капитальных затрат и более сложной
организации и управления рабочим процессом,
чем в варианте 1.
Рис. 8. Распределение объемной доли кислорода и диаметра частиц по высоте неподвижного слоя в зависимости от
времени при отношении массовых долей парокислородной смеси H2О/O2 = 40/60 (обозначения те же, что на рис. 7).
Fig. 8. Volume fraction distribution of oxygen and the particle diameter over the height of the fixed bed as a function of time
with a ratio of the mass fractions of an oxygen-oxygen mixture H2О/O2 = 40/60 (notations are the same as in Fig. 7).
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 89
Рис. 9. Распределение объемных долей компонентов газа H2 и H2O по высоте неподвижного слоя в зависимости от
времени при отношении массовых долей парокислородной смеси H2О/O2 = 40/60 (обозначения те же, что на рис. 7).
Fig. 9. Volume fraction distribution of the gas components H2 and H2O over the height of the fixed bed as a function of time
with a ratio of the mass fractions of the oxygen-oxygen mixture H2О/O2 = 40/60 (notations are the same as in Fig. 7).
Рис. 10. Распределение объемных долей компонентов газа CO2 и CO по высоте неподвижного слоя в зависимости от
времени при отношении массовых долей парокислородной смеси H2О/O2 = 40/60 (обозначения те же, что на рис. 7).
Fig. 10. Volume fraction distribution of the gas components CO2 и CO over the height of the fixed bed as a function of time
with a ratio of the mass fractions of the oxygen-oxygen mixture H2О/O2 = 40/60 (notations are the same as in Fig. 7).
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 3 90
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 торфа является нестацио-
нарным из-за цикличности подачи исходного
топлива и выгрузки золы при помощи системы
шлюзовых бункеров.
2. Показано, что: а) основной процесс гази-
фикации частиц торфа в варианте 1 происходит в
окислительно-восстановительной зоне, благодаря
чему температура дискретной фазы и содержание
H2O снижаются с 818,5 С и 72,84 % до 704,1 С
и 19,9 %; б) в бескислородной восстановительной
зоне состав генераторного газа слабо изменяется,
поэтому рассматриваемая область является мало-
эффективной; в) скорость перемещения окисли-
тельной зоны по оси z значительно меньше, чем
скорость убывания летучих веществ по высоте
слоя, вследствие чего выгорания компонентов
пиролизных газов не происходит. По этой при-
чине состав генераторного газа на выходе из ре-
актора необходимо рассматривать как сумму
синтетического (из-за конверсии фиксированного
углерода) и пиролизного газов; г) в варианте 1
температура частиц торфа не превышает 818,5 С
и оказывается ниже, чем температура начала де-
формации золы 1140 С, что позволяет построить
режим газификации с твердым шлакоудалением.
Для повышения эффективности рабочего процес-
са (калорийности и качества генераторного газа)
в варианте 2 массовая доля O2 была увеличена, а
H2O – уменьшена по сравнению с первым, вслед-
ствие чего температура частиц в окислительной
зоне возросла с tp,max1 = 818,5 С до tp,max2 =
=1590 С, что создает благоприятные условия для
устойчивого вытекания жидкого шлака из гази-
фикатора; д) в варианте 1 генераторный газ имеет
большое содержание балласта CO2 = 22,4% и H2O
= 10,3 % и сравнительно низкую долю горючей
части – CO+H2 = 67,4 %, в отличие от второго –
CO2 = 1,5–2 %, H2O = 0,1–0,6 % и CO+H2 = 98,4%.
1. Рохман Б.Б. Двумерная модель процесса газифика-
ции твердого топлива в неподвижном слое под давлением. 1.
Исследование конверсии шубаркольского каменного угля в
парокислородной смеси при отношении массовых долей
H2О/O2=45/55. Відновлювана енергетика. 2019. № 1. С. 61-71.
REFERENCES
1. Rokhman B.B. Dvumernaya model processa gazifikacii
tverdogo topliva v nepodvizhnom sloe pod davleniem. 1. Issle-
dovanie konversii shubarkolskogo kamennogo uglya v parokis-
lorodnoj smesi pri otnoshenii massovyh dolej H2О/O2=45/55.
[Two-dimensional model of solid fuel gasification in a fixed bed
under pressure. 1. Investigation conversion of Shubarkol coal
conversion in a steam-oxygen mixture with the mass past of
H2О/O2=45/55]. Vidnovluvana energetika. 2019. No. 1. Pp. 61-
71. [in Russian].
МАТЕМАТИЧНИЙ ОПИС ПРОЦЕСУ ГАЗИФІКАЦІЇ
ТВЕРДОГО ПАЛИВА В ФІКСОВАНОМУ ШАРІ:
1. ЧИСЕЛЬНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТЕРМОХІМІЧНОЇ
ПЕРЕРОБКИ ТОРФУ В ПАРОКИСНЕВІЙ СУМІШІ
ПІД ТИСКОМ 3 МПа
Б.Б. Рохман, доктор технічних наук
Інститут відновлюваної енергетики НАН України,
02094, вул. Гната Хоткевича, 20А, м. Київ, Україна,
Побудовано систему параболічних рівнянь, що описує не-
стаціонарний процес аеродинаміки, тепломасообміну і хімі-
чного реагування твердого палива (частинк торфу або біо-
маси) в парокисневій суміші в нерухомому шарі з урахуван-
ням конвективного теплообміну між газом і дисперсною
фазою, радіаційно-кондуктивного теплопереносу твердої
фази, променистого і кондуктивного теплообміну частинок
шару зі стінкою реактора, гетерогенних і гомогенних хіміч-
них реакцій, сил тяжіння і аеродинамічного опору. На підс-
таві отриманої системи рівнянь розроблені алгоритм і про-
грама, з використанням якої отримано детальну інформа-
цію про розподіл основних параметрів робочого процесу
термохімічної переробки торфу під тиском 3 МПа в зале-
жності від часу для двох варіантів: при співвідношенні ма-
сових часток в парокисневій суміші H2О/O2=70/30 і
H2О/O2=40/60. Проведено порівняльний аналіз цих варіантів.
Показано, що: а) в першому варіанті H2О/O2=70/30, де в
зоні максимальних тепловиділень температура частинок
торфу виявляється нижчою, ніж температура початку
деформації золи, організовується режим газифікації з тве-
рдим шлаковидаленням. У другому - H2О/O2 = 40/60 за раху-
нок високої інтенсифікації процесу температура твердої
фази в окислювальній зоні значно перевищує температуру
жидкоплавкого стану золи, що дозволяє організувати ре-
жим газифікації торфу зі стійким витіканням рідкого шла-
ку з газогенератора; б) варіант 1 характеризується висо-
ким вмістом баласту в синтетичному газі CO2 = 22,4% і
H2О = 10,3% і порівняно низькою об'ємною часткою горю-
чої частини – CO + H2 = 67,4%, в порівнянні з варіантом 2 –
CO2 = 1,5-2%, H2О = 0,1-0,6% і CO + H2 = 98 %. Бібл. 1,
табл. 1, рис.10.
Ключові слова: нерухомий шар, торф, теплопровідність,
парокиснева газифікація, кондуктивний, радіаційний, тем-
пература.
Стаття надійшла до редакції 22.07.19
Остаточна версія 12.09.19
|
| id | veorgua-article-219 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:05:49Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/65/aa513e5d9486d41396c91addf3ebdd65.pdf |
| spelling | veorgua-article-2192026-07-18T06:32:13Z MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 1. NUMERICAL RESULTS OF THERMAL-CHEMICAL PROCESSING OF PEAT IN A VAPOR- OXYGEN MIXTURE UNDER A PRESSURE OF 3 MPa МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ФИКСИРОВАННОМ СЛОЕ: 1. ЧИСЛЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФА В ПАРОКИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ 3 МПа Rokhman, B. fixed bed, coal, thermal conductivity, steam-oxygen gasification, conductive, radiation, temperature. неподвижный слой, торф, теплопроводность, парокислородная газификация, кондуктивный, радиационный, температура. With the help of&nbsp; the developed two-dimensional model presented in the first part of this work, which includes interfacial convective heat transfer, radiation-conductive heat transfer of the solid phase, radiant and conductive heat transfer of the fixed bed with the reactor wall, heterogeneous and homogeneous chemical reactions, gravity and aerodynamic resistance, the non-stationary gasification of Shubarkol&nbsp; long-flame coal in a steam-oxygen mixture under a pressure of 3 MPa in a fixed bed with solid slag removal at a ratio of mass fractions of&nbsp; gas components&nbsp; H2О/O2=72/28 was&nbsp; numerically investigated. It is shown: 1) in this mode, the temperature of coke-ash particles does not exceed 1000 0С due to the prevalence of heat generation of exothermic reactions C+O2=CO2, C+0,5O2=CO, CO+0,5O2=CO2 and H2+0,5O2=H2O over the heat absorption of endothermic reactions C+СO2=2CO and C+H2O=CO+H2 due to the high concentration of water vapor in the gas mixture. Therefore, calorie and quality of the generator gas (at the time τ = 260 s (by volume): CO=16,4%, H2=44,6%, СO2=27,6%, CH4=10,1% and C6H6=1,16%) is significantly inferior to the synthetic gas obtained with the ratio of mass fractions of gaseous components H2О/O2=40/60&nbsp; (τ = 280 с: CO=65%, H2=25,6%, СO2=3,8%, CH4=5% and C6H6=0,57%) [1]; 2) To eliminate overheating of the grate due to the low height of the slag pad, due to low ash content of coal 3–9%, it is recommended to add waste ash to the initial fuel, which will increase the height of the protective inert bed. 3) the calculated composition of the synthetic gas at τ = 260 s is in good agreement with the literature data given in [2]: CO=12–21%, H2=37–41%, СO2=27–34% and CH4=10–13,5%. Ref. 1, tab. 1, fig. 10. Построена система параболических уравнений, описывающая нестационарный процесс аэродинамики, тепломассообмена и химического реагирования твердого топлива (частиц торфа или биомассы) в парокислородной смеси в неподвижном слое с учетом конвективного теплообмена между газом и дисперсной фазой, радиационно-кондуктивного теплопереноса твердой фазы, лучистого и кондуктивного теплообмена частиц слоя со стенкой реактора, гетерогенных и гомогенных химических реакций, сил тяжести и аэродинамического сопротивления. На основании полученной системы уравнений разработаны алгоритм и программа, с использованием которой получена детальная информация о распределении основных параметров рабочего процесса термохимической переработки торфа под давлением 3 МПа в зависимости от времени для двух вариантов: при отношении массовых долей в парокислородной смеси H2О/O2 = 70/30 и H2О/O2 = 40/60. Проведен сравнительный анализ этих вариантов. Показано, что: а) в первом варианте H2О/O2 = 70/30, где в зоне максимальных тепловыделений температура частиц торфа оказывается ниже, чем температура начала деформации золы, организуется режим газификации с твердым шлакоудалением. Во втором – H2О/O2 = 40/60 за счет высокой интенсификации процесса температура твердой фазы в окислительной зоне значительно превышает температуру жидкоплавкого состояния золы, что позволяет организовать режим газификации торфа с устойчивым вытеканием жидкого шлака из газогенератора; б) вариант 1 характеризуется высоким содержанием балласта в синтетическом газе CO2 = 22,4 % и H2O = 10,3 % и сравнительно низкой объемной долей горючей части – CO+H2 = 67,4 %, по сравнению с вариантом 2 – CO2 = 1,5–2 %, H2O = 0,1–0,6 % и CO+H2 = 98 %. Библ. 1, табл. 1, &nbsp;рис.10. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2019-09-25 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/219 10.36296/1819-8058.2019.3(58).78-90 Vidnovluvana energetika ; No. 3(58) (2019): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 78-90 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 3(58) (2019): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 78-90 Відновлювана енергетика; № 3(58) (2019): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 78-90 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2019.3(58) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/219/154 Copyright (c) 2019 B. Rokhman https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | fixed bed coal thermal conductivity steam-oxygen gasification conductive radiation temperature. Rokhman, B. MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 1. NUMERICAL RESULTS OF THERMAL-CHEMICAL PROCESSING OF PEAT IN A VAPOR- OXYGEN MIXTURE UNDER A PRESSURE OF 3 MPa |
| title | MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 1. NUMERICAL RESULTS OF THERMAL-CHEMICAL PROCESSING OF PEAT IN A VAPOR- OXYGEN MIXTURE UNDER A PRESSURE OF 3 MPa |
| title_alt | МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ФИКСИРОВАННОМ СЛОЕ: 1. ЧИСЛЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФА В ПАРОКИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ 3 МПа |
| title_full | MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 1. NUMERICAL RESULTS OF THERMAL-CHEMICAL PROCESSING OF PEAT IN A VAPOR- OXYGEN MIXTURE UNDER A PRESSURE OF 3 MPa |
| title_fullStr | MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 1. NUMERICAL RESULTS OF THERMAL-CHEMICAL PROCESSING OF PEAT IN A VAPOR- OXYGEN MIXTURE UNDER A PRESSURE OF 3 MPa |
| title_full_unstemmed | MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 1. NUMERICAL RESULTS OF THERMAL-CHEMICAL PROCESSING OF PEAT IN A VAPOR- OXYGEN MIXTURE UNDER A PRESSURE OF 3 MPa |
| title_short | MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 1. NUMERICAL RESULTS OF THERMAL-CHEMICAL PROCESSING OF PEAT IN A VAPOR- OXYGEN MIXTURE UNDER A PRESSURE OF 3 MPa |
| title_sort | mathematical description of the solid fuel gasification process in a fixed bed: 1. numerical results of thermal-chemical processing of peat in a vapor- oxygen mixture under a pressure of 3 mpa |
| topic | fixed bed coal thermal conductivity steam-oxygen gasification conductive radiation temperature. |
| topic_facet | fixed bed coal thermal conductivity steam-oxygen gasification conductive radiation temperature. неподвижный слой торф теплопроводность парокислородная газификация кондуктивный радиационный температура. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/219 |
| work_keys_str_mv | AT rokhmanb mathematicaldescriptionofthesolidfuelgasificationprocessinafixedbed1numericalresultsofthermalchemicalprocessingofpeatinavaporoxygenmixtureunderapressureof3mpa AT rokhmanb matematičeskoeopisanieprocessagazifikaciitverdogotoplivavfiksirovannomsloe1čislennyerezulʹtatytermohimičeskojpererabotkitorfavparokislorodnojsmesipoddavleniem3mpa |