MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 2. THEORETICAL STUDY OF MULTI-STAGE PEAT PROCESSING IN THE AIR AND VAPOR-AIR MEDIUM AT DIFFERENT PRESSURE
Using the developed two-dimensional model presented in the first part of this work, the non-stationary process of peat gasification in a fixed bed in air and vapor-air medium at pressures of 1 MPa and 0,18 MPa, respectively, was theoretically investigated. A comparative analysis of the thermochemica...
Збережено в:
| Дата: | 2019 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2019
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/233 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103311879340032 |
|---|---|
| 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 | Using the developed two-dimensional model presented in the first part of this work, the non-stationary process of peat gasification in a fixed bed in air and vapor-air medium at pressures of 1 MPa and 0,18 MPa, respectively, was theoretically investigated. A comparative analysis of the thermochemical processing of peat in the vapor-oxygen, air and vapor-air medium has been carried out. It was shown that: 1) in the oxidation zone with an air blast, the temperature of the dispersed phase turns out to be slightly higher than the temperature of the particles at a vapor-oxygen blast, despite the lower oxygen content in the gas. This is due to the intense endothermic reaction C+H2O=CO+H2 in the zone of maximum heat release; 2) the release of volatiles during vapor-oxygen gasification occurs much faster than with air due to the more rapid heating of the bed mass due to the higher rate of the maximum heat release zone movement along the height of the bed; 3) during air gasification in the oxidation zone, the temperature of the particles exceeds the temperature of the liquid-melting state of ash, which make it possible to organize a stable liquid slag removal from the reactor; 4) vapor gasification in a fixed bed is organized with dry slag removal, since the level of peat temperature in the zone of maximum heat generation does not exceed 1100 °C and is lower than the temperature of the onset of deformation of ash 1140 °C; 5) the generator gas composition at the outlet of the reactor at air gasification has a lower combustible part of CO = 34.33% and a higher content of ballast N2 = 65,67 %, in contrast to steam-oxygen one – CO2 = 1,5–2 %, H2O = 0,1–0,6 %, CO+H2 = 98 % and vapor-air – CO+H2 = 45,5 %, N2 = 53,3 % and CO2 = 1,2–2,13 %. It follows that the calorific value and quality of the generator gas at vapor-oxygen and vapor-air blast is higher than at air blast. An original method of supplying highly concentrated dust to the main burners at underpressure using a gas-jet ejector (working medium – synthetic gas Pg = 1-1,5 MPa) ensuring steady ignition and stabilization of a pulverized coal flame, is proposed. Ref. 4, fig.11, tables 1. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2019.4(59).72-84 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:50Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
© Б.Б. Рохман, 2019
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 72
УДК 532.529: 517.4 DOI: https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.4(59).72-84
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ
ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ФИКСИРОВАННОМ СЛОЕ:
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСТАДИЙНОГО ПРОЦЕССА
ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФА В ВОЗДУШНОЙ И ПАРОВОЗДУШНОЙ СРЕДАХ
ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДАВЛЕНИЯХ
Б.Б. Рохман, докт. техн. наук
Институт возобновляемой энергетики НАН Украины,
02094, ул. Гната Хоткевича, 20А, г. Киев, Украина.
Институт угольных энерготехнологий НАН Украины,
04070, ул. Андреевская 19, г. Киев, Украина.
С использованием разработанной двумерной модели, приведенной в первой части настоящей работы, теоретически иссле-
дован нестационарный процесс газификации торфа в фиксированном слое в воздушной и паровоздушной средах при давле-
ниях 1 Мпа и 0,18 Мпа, соответственно. Проведен сравнительный анализ термохимической переработки торфа в паро-
кислородной, воздушной и паровоздушной средах. Показано, что: 1) в окислительной зоне при воздушном дутье темпера-
тура дисперсной фазы оказывается несколько выше температуры частиц при парокислородном дутье, несмотря на
меньшее содержание кислорода в газе. Это связано с интенсивным протеканием эндотермической реакции
C+H2O=CO+H2 в зоне максимальных тепловыделений; 2) выход летучих веществ при парокислородной газификации проис-
ходит значительно быстрее, чем при воздушной из-за более быстрого прогрева массы слоя за счет более высокой скоро-
сти перемещения зоны максимальных тепловыделений по высоте слоя; 3) при воздушной газификации в окислительной зоне
температура частиц превышает температуру жидкоплавкого состояния золы, что позволяет организовать устойчивое
жидкое шлакоудаление из реактора; 4) процесс паровоздушной газификации в фиксированном слое организуется с сухим
шлакоудалением, так как уровень температура торфа в зоне максимальных тепловыделений не превышает 1100 С и ока-
зывается ниже температуры начала деформации золы 1140 С; 5) состав генераторного газа на выходе из реактора при
воздушной газификации имеет меньшую горючую часть CO = 34,33 % и большее содержанием балласта N2 = 65,67 %, в
отличие от парокислородной – CO2 = 1,5–2 %, H2O = 0,1–0,6 %, CO+H2 = 98 % и паровоздушной – CO+H2 = 45,5 %, N2 =
53,3 % и CO2 = 1,2–2,13 %. Отсюда следует, что калорийность и качество генераторного газа при парокислородном и па-
ровоздушном дутье выше, чем при воздушном. Предложен оригинальный способ подачи высококонцентрированной пыли в
основные горелки под разрежением с использованием газоструйного эжектора (рабочая среда – синтетический газ Pg = 1–
1,5 МПа), что обеспечивает устойчивое воспламенение и стабилизацию пылеугольного факела. Библ. 4, рис.11, табл. 1.
Ключевые слова: неподвижный слой, торф, теплопроводность, парокислородная газификация, кондуктивный, радиацион-
ный, температура, воздух, паровоздушная среда.
MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION
PROCESS IN A FIXED BED:
2. THEORETICAL STUDY OF MULTI-STAGE PEAT PROCESSING
IN THE AIR AND VAPOR-AIR MEDIUM AT DIFFERENT PRESSURE
B. Rokhman, doctor of technical sciences
Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine,
02094, 20А Hnata Khotkevycha St., Kyiv, Ukraine.
Institute of Coal Energy Technologies, NAS Ukraine,
04070 19 Andreevskaya st., Kyiv, Ukraine.
Using the developed two-dimensional model presented in the first part of this work, the non-stationary process of peat gasification in
a fixed bed in air and vapor-air medium at pressures of 1 MPa and 0,18 MPa, respectively, was theoretically investigated. A com-
parative analysis of the thermochemical processing of peat in the vapor-oxygen, air and vapor-air medium has been carried out. It
was shown that: 1) in the oxidation zone with an air blast, the temperature of the dispersed phase turns out to be slightly higher than
the temperature of the particles at a vapor-oxygen blast, despite the lower oxygen content in the gas. This is due to the intense endo-
thermic reaction C+H2O=CO+H2 in the zone of maximum heat release; 2) the release of volatiles during vapor-oxygen gasification
occurs much faster than with air due to the more rapid heating of the bed mass due to the higher rate of the maximum heat release
zone movement along the height of the bed; 3) during air gasification in the oxidation zone, the temperature of the particles exceeds
the temperature of the liquid-melting state of ash, which make it possible to organize a stable liquid slag removal from the reactor;
4) vapor gasification in a fixed bed is organized with dry slag removal, since the level of peat temperature in the zone of maximum
heat generation does not exceed 1100 °C and is lower than the temperature of the onset of deformation of ash 1140 °C; 5) the gener-
ator gas composition at the outlet of the reactor at air gasification has a lower combustible part of CO = 34.33% and a higher con-
tent of ballast N2 = 65,67 %, in contrast to steam-oxygen one – CO2 = 1,5–2 %, H2O = 0,1–0,6 %, CO+H2 = 98 % and vapor-air –
CO+H2 = 45,5 %, N2 = 53,3 % and CO2 = 1,2–2,13 %. It follows that the calorific value and quality of the generator gas at vapor-
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.4(59).72-84
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 73
oxygen and vapor-air blast is higher than at air blast. An original method of supplying highly concentrated dust to the main burners
at underpressure using a gas-jet ejector (working medium – synthetic gas Pg = 1-1,5 MPa) ensuring steady ignition and stabilization
of a pulverized coal flame, is proposed. Ref. 4, fig.11, tables 1.
Keywords: fixed bed, peat, thermal conductivity, vapor-oxygen gasification, conductive, radiation, temperature, air, vapor-air medi-
um.
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 хи-
мического реагирования полидисперсного ан-
самбля твердого топлива в камерных и слое-
вых 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
Аuthor 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 In-
stitute.
Research area: Mathematical modeling of
aerodynamics, heat and mass transfer and
chemical reaction of a polydisperse ensemble
of solid fuel in chamber and layer furnaces,
in reactors with a circulating fluidized bed
and in the fluidized bed.
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: tel.: +38-044-425-53-77
e-mail: Brolene@yahoo.com
Перечень используемых обозначений и сокращений:
B – расход, кг/ч;
H – высота слоя, м;
P – давление, Н/м2;
Q – теплотворная способность газа, кДж/нм3;
R – объемная доля компонента газовой смеси;
r – скорость гетерогенной реакции, кмоль/(м3·c);
t – температура, С;
T – температура, К;
V – массовая доля летучих веществ в твердом топ-
ливе;
z – аксиальная координата, м;
δ – диаметр частицы, м;
τ – время, с.
Индексы нижние:
ash − зола;
air – воздух;
A − деформация золы;
bed − слой;
C − жидкоплавкое состояние золы;
O2, СО, CO2, CH4,
H2O, H2, C2H2,
CH2,71311O0,982248
− кислород, окись и двуокись угле-
рода, метан, водяной пар, водород,
ацетилен, кислородосодержащее
соединение;
C + O2, C + 0,5O2 − гетерогенные окислительные ре-
акции;
g − газ;
max − максимальное значение;
p − частица;
н – низшая теплота сгорания;
2 − 4 – варианты расчета.
Индексы верхние:
d − сухая масса; синтез − синтетический газ.
Вступ. В первой части настоящей работы [1]
описана двумерная математическая модель не-
стационарного процесса аэродинамики, тепло-
массообмена и химического реагирования твер-
дого топлива (частиц торфа или биомассы) в па-
рокислородной смеси в неподвижном слое с уче-
том конвективного теплообмена между газом и
дисперсной фазой, радиационно-кондуктивного
теплопереноса твердой фазы, лучистого и кон-
дуктивного теплообмена частиц слоя со стенкой
реактора, гетерогенных и гомогенных химиче-
ских реакций, сил тяжести и аэродинамического
сопротивления. С использованием этой модели
проведены теоретические исследования основ-
ных закономерностей нестационарного рабочего
процесса парокислородной газификации торфа
под давлением 3 Мпа для двух вариантов: при
отношении массовых долей в парокислородной
смеси H2О/O2 = 70/30 (вариант 1) и H2О/O2 =
= 40/60 (вариант 2).
Основные результаты. Вторая часть работы
посвящена анализу следующих задач: 1) особен-
ностей термохимической переработки сухих ча-
стиц торфа в газогенераторе с нестационарным
неподвижным слоем порозностью 0,4, начальной
высотой слоя 1,61 м и диаметром реактора 0,8 м в
mailto:Brolene@yahoo.com
mailto:Brolene@yahoo.com
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 74
воздушной и паровоздушной средах. Рассматри-
ваются два варианта. Вариант 3: реагирующий
агент – воздух, Pg = 1 Мпа, Bair = 972,4 кг/ч,
δ = 30 мм, граничное условие для уравнения (14)
из [1] – tp(τ, z = Hbed) = 700С; вариант 4: реаги-
рующий агент – паровоздушная смесь,
Pg = 0,18 Мпа, OH2
B = 16,8 кг/ч,
2OB = 32 кг/ч,
2NB = 119,3 кг/ч, δ = 10 мм, граничное условие
для уравнения (14) из [1] – ( zt /p )z = Hbed; 2)
способа подачи высококонцентрированной пыли
в основные горелки под разряжением с использо-
ванием газоструйного эжектора (рабочая среда –
синтетический газ Pg = 1–1,5 МПа), что обеспе-
чивает устойчивое воспламенение и стабилиза-
цию пылеугольного факела.
Интересно сопоставить второй вариант рас-
чета парокислородной газификации торфа при
Pg = 3 Мпа и H2О/O2 = 40/60 [1] с вариантом 3,
где конверсия фиксированного углерода протека-
ет в воздушной среде при Pg = 1 Мпа: 1) макси-
мальные значения температур частиц торфа в
окислительной зоне в третьем варианте несколь-
ко выше, чем во втором – tp,max3(τ, z) – tp,max2(τ, z) =
=34–200 С (ср. риc. 7 из [1] и рис. 1), несмотря
на меньшее содержание кислорода в газовой фа-
зе – 3O2
R (τ, z) < 2O2
R (τ, z) (ср. риc. 8 из [1] и рис.
2 c). Возникшую разницу температур tp,max3(τ, z) –
tp,max2(τ, z) можно объяснить интенсивным проте-
канием эндотермической восстановительной ре-
акции C + H2O = CO + H2 в зоне максимальных
тепловыделений в варианте 2; 2) некоторое уве-
личение температуры частиц торфа в третьем ва-
рианте tp 3 (τ, z) > tp2(τ, z) не компенсирует сниже-
ние содержания кислорода в газовой фазе 3O2
R (τ,
z) < 2O2
R (τ, z) (ср. риc. 8 из [1] и рис. 2 c), поэто-
му скорости окислительных гетерогенных реак-
ций C+O2=CO2 и C+0,5O2=CO, а следовательно и
скорость перемещения верхней границы шлако-
вой подушки во втором варианте оказываются
значительно выше, чем в третьем (∆zash2(τ = =333
с) = 1336 мм и ∆zash3(τ = 2300 с) = =925 мм; ср.
риc. 7, кривая 5 из [1] и рис. 1, кривая 6); 3) в
анализируемых вариантах с течением времени
количество летучих веществ в дискретной массе
фиксированного слоя уменьшается, причем во
втором варианте выход пиролизных газов проис-
ходит существенно быстрее, чем в третьем из-за
более быстрого прогрева массы неподвижного
слоя за счет более высокой скорости перемеще-
ния зоны максимальных тепловыделений по вы-
соте слоя. В варианте 2 в течение τ = 232 с ниж-
няя граница кислородной зоны достигает отметки
z = 1,03 м (диапазон кислородной зоны – 1,03 м
<z< 1,28 м). В третьем варианте указанная грани-
ца при сравнительно большем временном интер-
вале 0 < τ ≤ 1700 с сдвигается на значительно
меньшее расстояние z = 0,72 м (0,72 м < z < 0,869
м).
Приведенный результат теоретического ана-
лиза подтверждается еще одним фактором. Во
втором варианте содержание количества летучих
веществ в частицах торфа, расположенных в вы-
ходном сечении z = 1,61 м снизилось с
d
maxV =
=61,25 % до 32,86 %, в узком временном интер-
вале 0 < τ ≤ 30 с (рис. 6 b, кривая 2 из [1]). В от-
личие от второго варианта, в третьем в более ши-
роком диапазоне 0 < τ ≤ 200 с в сечении
z = 1,571 м значение функции V(τ, z) уменьши-
лось всего лишь с
d
maxV = 61,25 % до 14,95 %
(рис. 3 b). Следует отметить, что на небольшом
участке неподвижного слоя 1,571 м < z < 1,61 м
происходит резкое убывание функции V(τ, z) из-
за повышения температуры частиц торфа с
258,5 С до 700 С, что обусловлено влиянием
граничного условия tp(τ, z = Hbed) = 700 С (рис. 1,
кривая 1; рис. 3 b); 4) подобно второму варианту,
в третьем можно выделить два характерных вре-
менных интервала нестационарного процесса га-
зификации торфа, отличающихся наличием зоны
сухой перегонки. В первом из них 0 < τ ≤ 300 с
состав генераторного газа на выходе из реактора
существенно изменяется из-за присутствия в слое
пиролизной зоны (см. табл.; рис. 3). Во втором
интервале τ > 300 c летучие вещества в дискрет-
ной массе слоя отсутствуют, поэтому объемные
доли компонентов синтетического газа изменя-
ются незначительно. Наличие в генераторном га-
зе компонентов H2 и CO2 в варианте 3 непосред-
ственно связано с выходом летучих веществ из
частиц торфа и возможно только в узком диапа-
зоне 0 < τ ≤ 300 с (см. табл.; рис. 2 b и рис. 3 a,
кривые 1). В варианте 2 компоненты H2 и CO2 в
синтетическом газе присутствуют на протяжении
всего периода термохимической переработки
твердого топлива из-за протекания химических
реакций C+H2O =CO+H2 и CO+H2O→CO2+H2
(см. табл., рис. 9 и рис. 10 из [1]); 5) состав гене-
раторного газа на выходе из реактора во втором
варианте (τ > 30 c) характеризуется минималь-
ным содержанием балласта CO2 = 1,5–2%, H2O =
0,1–0,6 % и высокой объемной долей горючей
части CO+H2 = 98 % (см. табл., рис. 9,
рис. 10 из [1]) в отличие от варианта 3 (τ > 300 c)
– N2 = 65,67 % и CO = 34,33 % (см. табл. и рис. 2
a). Отсюда следует, что калорийность и качество
генераторного газа при парокислородном дутье
оказывается значительно выше, чем при воздуш-
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 75
ном; 6) в анализируемых вариантах в зоне мак-
симальных тепловыделений температуры частиц
торфа tp,max2 = =1590 С (рис. 7, кривая 2 из [1]) и
tp,max3 = 1786 С (рис. 1, кривая 2) превышают
температуру жидкоплавкого состояния золы 1350
С, тем самым создаются благоприятные условия
для организации устойчивого вытекания жидкого
шлака из газификатора.
Рис. 1. Распределение температур газа и частиц по высоте неподвижного слоя при воздушной газификации торфа в
зависимости от времени: 1 – 200 с; 2 – 300 с; 3 – 700 с; 4 – 1300 с; 5 – 1700 с; 6 – 2300.
Fig. 1. Particle and gas temperature distribution at the height of the fixed bed during air gasification of peat depending on
time: 1 – 200 s; 2 – 300 s; 3 – 700 s; 4 – 1300 s; 5 – 1700 s; 6 – 2300 s.
Рис. 2. Распределение объемных долей CO (a), CO2(b) и O2(c) по высоте неподвижного слоя при воздушной газифика-
ции торфа в зависимости от времени (обозначения те же, что на рис. 1).
Fig. 2. Volume fraction distribution of CO (a), CO2(b) and O2(c) at the height of the fixed bed during vapor-air gasification of
peat depending on time (notations are the same as in Fig. 1).
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 76
Рис. 3. Распределение объемных долей компонентов газа метана, водяного пара, водорода, ацетилена, кислородосо-
держащего соединения (a) и летучих веществ (b) по высоте неподвижного слоя при воздушной газификации торфа в
момент времени 200 с: 1 – H2; 2 – C2H2; 3 – CH2,71311O0,982248; 4 – CH4; 5 – H2O.
Fig. 3. Volume fraction distribution of methane, acetylene, water vapor, hydrogen, acetylene, oxygen-containing compound
(a), and volatiles (b) at the height of the fixed bed during air gasification of peat
at 200 s: 1 – H2; 2 – C2H2; 3 – CH2,71311O0,982248; 4 – CH4; 5 – H2O.
Таблица 1. Объемные доли компонентов генераторного газа на выходе из реактора.
Table 1. The 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
%
N2
%
Воздушная газификация торфа (вариант 3)
100 9,31 0,78 4,2 23,11 10,08 4,92 15,14 32,44
200 4,64 0,51 2,68 27,61 6,61 3,23 9,93 44,79
300 – – 0,0144 34,3 0,036 0,0174 0,0534 65,58
1000 – – – 34,33 – – – 65,67
1500 – – – 34,33 – – – 65,67
2300 – – – 34,35 – – – 65,65
Паровоздушная газификация торфа (вариант 4)
400 53,46 3,54 2,316 12,14 4,676 2,282 7,02 14,56
800 44,78 4,43 2,02 15,74 4,81 2,35 7,22 18,65
1200 39,78 5,011 2,087 17,44 4,77 2,33 7,16 21,41
1600 34,7 5,65 2,15 19,2 4,6 2,249 6,91 24,52
2000 25,98 6,76 2,14 22,44 4,273 2,086 6,41 29,9
4000 – 11,22 1,2 34,28 – – – 53,3
8800 – 10,84 2,13 33 – – – 54
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 77
Рис. 4. Распределение диаметра частиц по высоте неподвижного слоя при воздушной газификации торфа в зависи-
мости от времени (обозначения те же, что на рис. 1).
Fig. 4. Particle diameter distribution at the height of the fixed bed during vapor-air gasification of peat depending on time
(notations are the same as in Fig. 1).
На рис. 4 (кривая 4) приведены результаты
расчетов диаметра частиц по высоте неподвиж-
ного слоя в момент времени τ = 1300 с. Видно,
что в области максимальных тепловыделений
0,482 м < z < 0,568 м происходит интенсивная
конверсия фиксированного углерода в воздухе за
счет гетерогенных реакций C+O2=CO2,
C+0,5O2=CO, C+СO2 =2CO и догорание CO со-
гласно реакциям CO+0,5O2=CO2. Вследствие это-
го диаметр твердой фазы уменьшается с
δ = 24,7 мм до минимального размера частиц
δash = 20,6 мм, состоящих из золы, а температура
tp возрастает с 465 С до макси-мального значе-
ния 1572,5 С (рис. 1, кривая 4). В окислительно-
восстановительной области реагирования
0,568 м < z < 0,686 м, где объемная доля O2 и
температура tp3 снижаются до 1 % (рис. 2 c, кри-
вые 4) и 1506 С (рис. 1, кривая 4), диаметр кок-
созольных частиц торфа уменьшает-ся с 29,99 мм
до 24,7мм. Бескислородную зону 0,686м<z<1,61м
можно условно разделить на два участка. На пер-
вом из них 0,568 м<z<1,523 м температура и
размер частиц практически не изменяются из-за
малой скорости гетерогенной реакции C+СO2
=2CO за счет низкой объемной доли СO2 в газо-
вой фазе (рис. 2 b, кривая 4). Второй участок
1,523 м < z < <1,61 м характеризуется убыванием
зависимости tp3(τ, z) при постоянном диаметре
твердой фазы, что связано с влиянием гранично-
го условия tp(τ, z = Hbed) = 700 С.
Создание режима с жидким шлакоудалением
в реакторе (вариант 3) требует больших капи-
тальных затрат и более сложной организации, и
управления нестационарным рабочим процессом,
чем при построении режима с твердым шлако-
удалением. При этом теплотворная способность
получаемого генераторного газа довольно низкая
и составляет
синтез
нQ = 4338 кДж/нм3. В связи с
этим целесообразно рассмотреть процесс паро-
воздушной газификации торфа в фиксированном
слое с сухим шлакоудалением (вариант 4), где
температура частиц tp,max4(τ, z) в зоне максималь-
ных тепловыделений не превышает 1100 С и
оказывается ниже температуры начала деформа-
ции золы tA = 1140 С. Такой режим термохими-
ческой переработки торфа формируется путем до-
бавления в воздушное дутье 10 % (по массе) водя-
ного пара, в результате чего массовые доли O2 и
N2 снижаются до 19 % и 71 %, соответственно.
Рис. 5 иллюстрирует профили температур
дискретной и газовой фаз при паровоздушной га-
зификации в зависимости от времени протекания
рабочего процесса. Видно, что уровень темпера-
тур частиц торфа в четвертом варианте значи-
тельно ниже, чем в третьем (ср. рис. 1 и рис. 5).
Это объясняется тем, что в окислительной зоне
скорости конверсии углерода в варианте 4 мень-
ше, чем в третьем 3,OC4,OC 22 rr и
3,O5,0C4,O5,0C 22 rr из-за 4O2
R (τ, z) < 3O2
R (τ, z)
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 78
(ср. рис. 2 c и рис. 6). При этом при паровоздуш-
ном дутье тепловыделение экзотермических ре-
акций C+O2=CO2 и C+0,5O2=CO частично ком-
пенсируется теплопоглощением эндотермиче-
ской реакции C+H2O=CO+H2, вследствие чего
температура частиц торфа уменьшается с
tp,max3 = 1572,5 С (рис. 1, кривая 4) до
tp,max4 = 1056,5 С (рис. 5, кривая 2). На участке
0,032 м < z < 0,1058 м содержания O2 и H2O в га-
зовой смеси падают с 16,1 % и 15,07 % до 6,62 %
и 7,59 %, соответственно, объемные доли газо-
вых компонентов CO2, CO и H2 повышаются и
достигают следующих значений:
2COR = 1,92 %,
COR = 17,15 % и
2HR = 5,71 % (рис. 6, рис. 7 a,
b и рис. 8 a, b, кривые 2). Из-за конверсии частиц
торфа их диаметр уменьшается с δ = 8,19 мм до
минимального размера частиц δash = 6,86 мм, со-
стоящих из золы (риc. 7 c, кривая 2). Далее про-
цесс реагирования коксозольных частиц торфа
плавно переходит в окислительно-восстанови-
тельную зону 0,1058 м < z < 0,1326 м, характери-
зующуюся падением температуры частиц до
971 С за счет преобладания теплопоглощения
эндотермических реакций над тепловыделением
экзотермических реакций, снижением объемных
содержаний
2OR = 1% и OH2
R = 2,06%, уменьше-
нием диаметра частиц торфа с δ=9,53 мм до
δ = 8,19 мм и возрастанием газовых компонентов
2COR = 2,672%,
2HR = 9,99% и COR = 28,78%.
Рис. 5. Распределение температур частиц и газа по высоте неподвижного слоя при паровоздушной гази-
фикации торфа в зависимости от времени: 1 – 320 с; 2 – 1280 с; 3 – 1350 с; 4 – 3040 с; 5 – 3360 с; 6 – 5600 с;
7 – 8800 с.
Fig. 5. Particle and gas temperature distribution at the height of the fixed bed during vapor-air gasification of
peat depending on time: 1 – 320 s; 2 – 1280 s; 3 – 1350 s; 4 – 3040 s; 5 – 3360 s; 6 – 5600 s; 7 – 8800 s.
Рис. 6. Распределение объемной доли кислорода по высоте неподвижного слоя при паровоздушной гази-
фикации торфа в зависимости от времени (обозначения те же, что на рис. 5).
Fig. 6. Volume fraction distribution of oxygen at the height of the fixed bed during vapor-air gasification of peat
depending on time (notations are the same as in Fig. 5).
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 79
Рис. 7. Распределение объемных долей CO (a) и CO2 (b) и диаметра частиц (c) по высоте неподвижного
слоя при паровоздушной газификации торфа в зависимости от времени (обозначения те же, что на рис. 5).
Fig. 7. Volume fraction distribution of CO (a) and CO2 (b) and particle diameter (с) at the height of the fixed
bed during vapor-air gasification of peat depending on time (notations are the same as in Fig. 5).
Рис. 8. Распределение объемных долей водорода (a), водяного пара (b) и летучих веществ (с) по высоте
неподвижного слоя при паровоздушной газификации торфа в зависимости от времени (обозначения те же,
что на рис. 5).
Fig. 8. Volume fraction distribution of hydrogen (a), water vapor (b) and volatiles (с) at the height of the fixed
bed during vapor-air gasification of peat depending on time (notations are the same as in Fig. 5).
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 80
На участке бескислородной восстановитель-
ной зоны реагирования 0,1326 м < z < 1,0113 м,
где величина OH2
R → 0, наблюдается уменьше-
ние значений функций tp4(τ, z) и
2COR (τ, z) до
360,4С и 0,654%, незначительное снижение раз-
мера торфяных гранул с δ = 10 мм до δ = 9,53 мм
и повышение объемной доли компонента CO до
33,33 % из-за протекания эндотермической вос-
становительной реакции C+СO2=2CO. Некоторое
повышение величины
2HR до 10,62 % обуслов-
лено реакцией водяного сдвига.
На участке 1,0113 м < z < 1,61 м происходит
нагрев сухих частиц торфа до температуры
163,4–360,4С за счет межфазного конвективного
теплообмена и радиационно-кондуктивного теп-
лопереноса твердой фазы (рис. 5, кривая 2). По
этой причине наблюдается интенсивный выход
летучих веществ в виде кислородосодержащего
соединения CH2,71311O0,982248→0,211773CO+
+0,134764CO2+0,333524CH4+0,162893C2H2+
+0,0256683H2+0,500946H2O [1] с последующим
его частичным разложением на газовые компо-
ненты CO, CO2, CH4, C2H2, H2 и H2O, что обеспе-
чивает возрастание функций
4CHR (τ, z),
22HCR (τ,
z), OH2
R (τ, z) и
2COR (τ, z) и убывание зависимо-
стей COR (τ, z) и
2HR (τ, z) (рис. 7 a, b, рис. 8 a, b и
рис. 9 a, b, с, кривые 2) в зоне сухой перегонки.
При этом плотность частиц торфа уменьшается
за счет выхода летучих веществ при неизменном
диаметре дисперсной фазы (см. (12) из [1]). Такое
поведение кривых можно объяснить исходя из
следующих соображений. В зоне сухой перегон-
ки происходит смешение двух газовых потоков:
пиролизного газа (CO, CO2, CH4, C2H2, H2 и H2O),
в котором количество CH4 и H2O превалирует
над CO и H2 (см. формулу кислородосодержаще-
го соединения), и синтети-ческого газа, поступа-
ющего из бескислородной восстановительной зо-
ны реагирования и состоящего преимущественно
из CO+H2 = 44 % и минимальной доли
2COR =
0,654 %, при отсутствии газовых компонентов
CH4, C2H2 и H2O. Поэтому при смешении двух
газовых потоков происходит уменьшение вели-
чин COR и
2HR и возрастание значений
4CHR ,
2COR , OH2
R и
22HCR .
Рис. 9. Распределение объемных долей ацетилена (a), метана (b) и кислородосодержащего соединения (с) по высоте
неподвижного слоя при паровоздушной газификации торфа в зависимости от времени (обозначения те же, что на
рис. 5).
Fig. 9. Volume fraction distribution of acetylene (a), methane (b) and oxygen-containing compound (с) at the height of the
fixed bed during vapor-air gasification of peat depending on time (notations are the same as in Fig. 5).
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 81
Как отмечалось выше, уровень температур
частиц в четвертом варианте оказывается значи-
тельно ниже, чем в третьем. Поэтому выход ле-
тучих веществ в варианте 4 происходит гораздо
медленнее, чем в варианте 3, о чем свидетель-
ствует выражение (1) [2] (ср. рис. 3 b и рис. 8 c,
кривая 1)
VT
d
dV
p
5 8900exp1,14·10
τ
. (1)
Отсюда следует, что временной диапазон в
четвертом варианте, где присутствуют в дис-
персной массе слоя летучие вещества, имеет
большую протяженность 0 < τ ≤ 2000 с, чем в
третьем – 0 < τ ≤ 300 с (см. табл.). Из таблицы
видно, что в варианте 3 присутствие в синтетиче-
ском газе компонентов H2 и CO2 возможно толь-
ко в интервале 0 < τ ≤ 300 с. В варианте 4 содер-
жание компонентов H2 и CO2 наблюдается на
протяжении всего периода рабочего процесса из-
за протекания химических реакций
C+H2O=CO+H2 и CO+H2O→CO2+H2.
Состав генераторного газа на выходе из ре-
актора в третьем варианте (τ > 300 c) имеет
меньшую горючую часть и CO = 34,33 % и боль-
шее содержанием балласта N2 = 65,67 %, в отли-
чие от четвертого (τ > 2000 c) – CO+H2 = 45,5 %,
N2 = 53,3 % и CO2 = 1,2–2,13 %. Отсюда следует,
что калорийность и качество генераторного газа
при паровоздушном дутье выше
синтез
нQ =5543
кДж/нм3, чем при воздушном –
синтез
нQ = 4338
кДж/нм3.
Одна из насущных задач в топливно-
энергетическом балансе Украины – снижение по-
требления дорогостоящего природного газа. По-
этому разработка новых технологий, позволяю-
щих уменьшить долю природного газа в энерге-
тической и металлургической отраслях промыш-
ленности является весьма актуальной. Одним из
способов решения поставленной задачи является
сжигание смеси биомассой с углем вместо при-
родного газа.
В настоящей работе рассматривается сжига-
ние очищенного синтетического газа, полученного
из частиц торфа в газификаторе с фиксированным
слоем при Pg = 1–1,5 Мпа, с мелкодисперсной
угольной пылью типа АШ или каменного угля. В
существующих установках подобного типа [3]
предусмотрена раздельная подача в котел генера-
торного газа, полученного в газификаторе с цир-
кулирующим кипящим слоем при атмосферном
давлении, и пылеугольных частиц. Последние по-
даются транспортирующим агентом в основные
горелки, а синтетический газ направляется в
сбросные горелочные устройства, расположенные
на боковых экранах холодной воронки.
В данной работе предлагается оригинальный
способ подачи высококонцентрированной пыли в
основные горелки под разрежением с использо-
ванием газоструйного эжектора подобно схеме,
описанной в работе [4] (см. рис. 10). В отличие от
[4] здесь вместо пара, поступающего в эжектор
под давлением 1,1–1,3 МПа, используется в каче-
стве рабочей среды очищенный генераторный газ
при Pg = 1–1,5 МПа (поз. 6). Приведенный на рис.
10 газоструйный эжектор устанавливается в цен-
тральную часть основных горелок подобно [4].
При этом сбросные горелочные устройства от-
сутствуют. Распыление пылевоздушной смеси
производится отработанным генераторным газом
с возможным использованием рассекателя. При
установке парового эжектора в активной части
топочной камеры присутствует инертный газ
H2O, который снижает концентрацию кислорода
в газовой смеси, тем самым тормозит процессы
воспламенения и выгорания пылеугольных ча-
стиц и способствует затягиванию факела, что со-
здает угрозу шлакования ширмовых паропере-
гревателей. В предложенном варианте в реакци-
онную активную зону впрыскивается значитель-
ное количество горючих веществ СО, CH4 и H2,
что благоприятно влияет на процесс горения и
стабилизацию пылеугольного факела, особенно
это касается частиц АШ с низким выходом лету-
чих веществ. При этом количество горючих ве-
ществ, вводимых в реакционную зону, а, следо-
вательно, и калорийность синтетического газа
4338–11962 кДж/нм3, можно регулировать в за-
висимости от вида сжигаемой угольной пыли пу-
тем насыщения вводимого в газогенератор воз-
духа кислородом и водяным паром.
Очищенный генераторный газ под давлением
0,6–1 МПа может быть использован в качестве
рабочей среды в газоструйном эжекторе установ-
ленном в противоточных струйных мельницах
(см. рис. 11 поз. 6). Исходный дробленный уголь
поз. 7 и фракции грубого помола поз. 5 пода-
ються в смесительную камеру 3 с использовани-
ем сопла Лаваля поз. 4, где разгоняются струями
энергоносителя (генераторного газа) до высоких
скоростей и направляются в размольную камеру
поз. 2. Далее газодисперсный поток по централь-
ной трубе поз. 9 поступает в классификатор поз.
1, где происходит разделение мелких и крупных
фракций угольной пыли. Мелкодисперсный газо-
вый поток поз. 8 выходит из противоточной
струйной мельницы и направляется либо в бун-
кер пыли, либо в горелочные устройства.
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 82
Рис. 10. Подача угольной пыли в газоструйный эжектор: 1 – бункер пыли; 2 – пылепитатель; 3 – транспортирующий
агент; 4 – смеситель; 5 – эжектируемый поток (мелкодисперсная угольная пыль); 6 – рабочая среда (синтетический газ
Pg = 1–1,5 Мпа); 7 – смесительная камера; 8 – диффузор; 9 – сопло Лаваля.
Fig. 10. Coal dust supply to the gas-jet ejector: 1 – dust bunker; 2 – dust feeder; 3 – transporting agent; 4 – mixer; 5 – ejected
stream (fine coal dust); 6 – working medium (synthetic gas Pg = 1–1,5 MPa); 7 – mixing chamber; 8 – diffuser; 9 – Laval nozzle.
Рис. 11. Противоточная струйная мельница: 1 – классификатор; 2 – размольная камера; 3 – смесительная камера;
4 – эжектор; 5 – течка возврата грубого помола; 6 – рабочая среда (синтетический газ); 7 – подача исходного дробленного
угля; 8 – выход мелкодисперсного газового потока; 9 – центральная труба.
Fig. 11. Countercurrent jet mill: 1 – classifier; 2 – grinding chamber; 3 – mixing chamber; 4 –ejector; 5 – coarse grinding chute;
6 – working medium (synthetic gas); 7 – raw crushed coal supply; 8 – fine gas stream output; 9 – central tube.
Выводы. 1. Уровень температур частиц тор-
фа в зоне максимальных тепловыделений при
воздушной газификации несколько выше, чем
при конверсии углерода в парокислородной сме-
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 83
си из-за интенсивного протекания эндотермиче-
ской восстановительной реакции C+H2O=CO+H2.
2. Скорости окислительных гетерогенных ре-
акций при парокислородной газификации выше,
чем при воздушной за счет более высокой кон-
центрации кислорода в газовой смеси. Поэтому
выход летучих веществ во втором варианте из [1]
происходит значительно быстрее, чем в третьем
из-за более быстрого прогрева массы неподвиж-
ного слоя за счет более высокой скорости пере-
мещения зоны максимальных тепловыделений по
высоте слоя.
3. Наличие в генераторном газе компонентов
H2 и CO2 при воздушной газификации непосред-
ственно связано с выходом летучих веществ из
частиц торфа и возможно только в узком диапа-
зоне 0< τ ≤ 300 с, в отличие от варианта 2 из [1],
где компоненты H2 и CO2 в синтетическом газе
присутствуют на протяжении всего периода ра-
бочего процесса из-за протекания химических
реакций C+H2O =CO+H2 и CO+H2O→CO2+H2.
4. Во временном интервале, где отсутствуют
летучие вещества в дискретной массе слоя, со-
став генераторного газа на выходе из реактора
при воздушной газификации имеет меньшую го-
рючую часть CO = 34,33 % и большее содержа-
нием балласта N2 = 65,67 %, в отличие от паро-
кислородной газификации – CO2 = 1,5–2 %, H2O
= =0,1–0,6 %, CO+H2 = 98 % и паровоздушной –
CO+H2 = 45,5 %, N2 = 53,3 % и CO2 = 1,2–2,13 %.
Отсюда следует, что калорийность и качество ге-
нераторного газа при парокислородном (
синтез
нQ =
=11962 кДж/нм3) и паровоздушном (
синтез
нQ =
=5543 кДж/нм3) дутье выше, чем при воздушном
(
синтез
нQ = 4338 кДж/нм3).
5. В зоне максимальных тепловыделений при
воздушной газификации температура частиц
торфа tp,max3 = 1786 С превышает температуру
жидкоплавкого состояния золы 1350 С, в отли-
чие от паровоздушной, где температура твердой
фазы в окислительной области не превышает
1100 С и оказывается ниже температуры начала
деформации золы 1140 С. Таким образом, при
воздушной газификации торфа в реакторе следу-
ет организовывать процесс с устойчивым жидким
шлакоудалением, а в варианте 4 – с твердым
шлакоудалением.
6. Предложен оригинальный способ подачи
высококонцентрированной пыли в основные го-
релки под разрежением с использованием га-
зоструйного эжектора в отличие от парового
эжектора, который применяется на некоторых
ТЭС и способствует снижению концентрации O2
в дымовых газах в активной зоне горения, тем
самым тормозит процессы прогрева, воспламене-
ния и выгорания пылеугольных частиц и приво-
дит к затягиванию факела и шлакованию ширм.
В предложенном варианте в активную реакцион-
ную зону вместо водяного пара впрыскиваются
горючие вещества СО, CH4 и H2, что благоприят-
но влияет на процесс горения и стабилизацию
пылеугольного факела, особенно это касается ча-
стиц АШ с низким выходом летучих веществ.
При этом количество горючих веществ, вводи-
мых в реакционную зону, а, следовательно, и ка-
лорийность синтетического газа 4338–
11962 кДж/нм3, можно регулировать в зависимо-
сти от вида сжигаемой угольной пыли путем
насыщения вводимого в газогенератор воздуха
кислородом и водяным паром.
1. Рохман Б.Б. Математическое описание процесса га-
зификации твердого топлива в фиксированном слое: 1. Чис-
ленные результаты термохимической переработки торфа в
парокислородной смеси под давлением 3 Мпа. Відновлюва-
на енергетика. 2019. № 3. С. 78-90.
2. Wen C.Y., Chaung T.Z. Entrainment Coal Gasification
Modeling. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. 1979. Vol. 18. №
4. Pp. 684-695.
3. Tiilikka M.,. Bolhàr-Nordenkampf M., Honkola T. Ad-
vanced Gasification Technologies for Large Scale Energy. Bio-
mass and Secondary Fuels. Power-Gen Europe. 2014. 16 p.
4. Здановский В.Г. Модернизация котлоагрегатов теп-
ловой электростанции. К. Техника. 1990. 104 с.
REFERENCES
1. Rokhman B.B. Matematicheskoe opisanie processa gazi-
fikacii tverdogo topliva v fiksirovannom sloe: 1. Chislennye re-
zultaty termohimicheskoj pererabotki torfa v parokislorodnoj
smesi pod davleniem 3 Mpa. [Mathematical description of the
solid fuel gasifiation in a fixed bed: 1. Numerical results of
thermal-chemical processing of peat in a vapor-oxygen mixture
under a pressure of 3 MPa]. Vidnovluvana energetika. No. 3 Pp.
78-90. [in Russian].
2. Wen C.Y., Chaung T.Z. Entrainment Coal Gasification
Modeling. Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev. Vol. 18. No. 4.
Pp. 684-695. [in English].
3. Tiilikka M.,. Bolhàr-Nordenkampf M., Honkola T. Ad-
vanced Gasification Technologies for Large Scale Energy. Bio-
mass and Secondary Fuels. Power-Gen Europe. 2014. 16 p. [in
English].
4. Zdanovskij V.G. Modernizaciya kotloagregatov teplovoj
elektrostancii. [Modernization of thermal power plant boilers].
K. Tehnika. 104 p. [in Russian].
МАТЕМАТИЧНИЙ ОПИС ПРОЦЕСУ ГАЗИФІКАЦІЇ
ТВЕРДОГО ПАЛИВА В ФІКСОВАНОМУ ШАРІ:
2. ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ
БАГАТОСТАДІЙНОГО ПРОЦЕСУ ПЕРЕРОБКИ
ТОРФУ В ПОВІТРЯНОМУ І ПАРОПОВІТРЯНОМУ
СЕРЕДОВИЩІ ПРИ РІЗНИХ ТИСКАХ
Б.Б. Рохман, докт. техн. наук
Інститут відновлюваної енергетики НАН України,
02094, вул. Гната Хоткевича, 20А м. Київ, Україна.
Інститут вугільних енерготехнологій НАН України,
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 84
04070, вул. Андріївська 19, м. Київ, Україна.
З використанням розробленої двовимірної моделі, наведеної
в першій частині цієї роботи, теоретично досліджено не-
стаціонарний процес газифікації торфу в фіксованому шарі
в повітряному і пароповітряному середовищах при тисках 1
Мпа і 0,18 МПа, відповідно. Проведено порівняльний аналіз
термохімічної переробки торфу в парокисневому, повітря-
ному і пароповітряному середовищах. Показано, що: 1) в
окислювальній зоні при повітряному дутті температура
дисперсної фази виявляється трохи вищою за температуру
частинок при парокисневому дутті, незважаючи на менший
вміст кисню в газі. Це пов'язано з інтенсивним протіканням
ендотермічної реакції C + H2O = CO + H2 в зоні максималь-
них тепловиділень; 2) вихід летких речовин при парокисневій
газифікації відбувається значно швидше, ніж при повітря-
ній через більш швидке прогрівання маси шару за рахунок
більш високої швидкості переміщення зони максимальних
тепловиділень по висоті шару; 3) при повітряній газифікації
в окислювальній зоні температура частинок перевищує те-
мпературу жидкоплавкого стану золи, що дозволяє органі-
зувати стійке рідке шлаковидалення з реактора; 4) процес
пароповітряної газифікації в фіксованому шарі організову-
ється з сухим шлаковидаленням, так як рівень температур
торфу в зоні максимальних тепловиділень не перевищує
1100 °С і виявляється нижчим за температуру початку
деформації золи 1140 °С; 5) склад генераторного газу на
виході з реактора при повітряній газифікації має меншу го-
рючу частину CO = 34,33% і більший вміст баласту
N2 = 65,67%, на відміну від парокисневої – CO2 = 1,5-2%,
H2O = 0,1-0,6%, CO + H2 = 98% і пароповітряної –
CO + H2 = 45,5%, N2 = 53,3% і CO2 = 1,2-2,13%. Звідси ви-
пливає, що калорійність і якість генераторного газу при
парокисневому і пароповітряному дутті вище, ніж при по-
вітряному. Запропоновано оригінальний спосіб подачі висо-
коконцентрованого пилу в основні пальники під розріджен-
ням з використанням газоструменевого ежектора (робоче
середовище – синтетичний газ Pg = 1-1,5 МПа), що забез-
печує стійке займання і стабілізацію пиловугільного факела.
Бібл. 4, рис.11, табл. 1.
Ключові слова: нерухомий шар, торф, теплопровідність,
парокиснева газифікація, кондуктивний, радіаційний, тем-
пература, повітря, пароповітряне середовище.
Стаття надійшла до редакції 22.07.19
Остаточна версія 18.12.19
|
| id | veorgua-article-233 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:06:11Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/7e/570d49efdc76f7ee915b6ddcacfba87e.pdf |
| spelling | veorgua-article-2332026-07-18T06:32:13Z MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 2. THEORETICAL STUDY OF MULTI-STAGE PEAT PROCESSING IN THE AIR AND VAPOR-AIR MEDIUM AT DIFFERENT PRESSURE МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ФИКСИРОВАННОМ СЛОЕ: 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСТАДИЙНОГО ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФА В ВОЗДУШНОЙ И ПАРОВОЗДУШНОЙ СРЕДАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДАВЛЕНИЯХ Rokhman, B. fixed bed, peat, thermal conductivity, vapor-oxygen gasification, conductive, radiation, temperature, air, vapor-air medium. неподвижный слой, торф, теплопроводность, парокислородная газификация, кондуктивный, радиационный, температура, воздух, паровоздушная среда. Using the developed two-dimensional model presented in the first part of this work, the non-stationary process of peat gasification in a fixed bed in air and vapor-air medium at pressures of 1 MPa and 0,18 MPa, respectively, was theoretically investigated. A comparative analysis of the thermochemical processing of peat in the vapor-oxygen, air and vapor-air medium has been carried out. It was shown that: 1) in the oxidation zone with an air blast, the temperature of the dispersed phase turns out to be slightly higher than the temperature of the particles at a vapor-oxygen blast, despite the lower oxygen content in the gas. This is due to the intense endothermic reaction C+H2O=CO+H2 in the zone of maximum heat release; 2) the release of volatiles during vapor-oxygen gasification occurs much faster than with air due to the more rapid heating of the bed mass due to the higher rate of the maximum heat release zone movement along the height of the bed; 3) during air gasification in the oxidation zone, the temperature of the particles exceeds the temperature of the liquid-melting state of ash, which make it possible to organize a stable liquid slag removal from the reactor; 4) vapor gasification in a fixed bed is organized with dry slag removal, since the level of peat temperature in the zone of maximum heat generation does not exceed 1100 °C and is lower than the temperature of the onset of deformation of ash 1140 °C; 5) the generator gas composition at the outlet of the reactor at air gasification has a lower combustible part of CO = 34.33% and a higher content of ballast N2 = 65,67 %, in contrast to steam-oxygen one – CO2 = 1,5–2 %, H2O = 0,1–0,6 %, CO+H2 = 98 % and vapor-air – CO+H2 = 45,5 %, N2 = 53,3 % and CO2 = 1,2–2,13 %. It follows that the calorific value and quality of the generator gas at vapor-oxygen and vapor-air blast is higher than at air blast. An original method of supplying highly concentrated dust to the main burners at underpressure using a gas-jet ejector (working medium – synthetic gas Pg = 1-1,5 MPa) ensuring steady ignition and stabilization of a pulverized coal flame, is proposed. Ref. 4, fig.11, tables 1. С использованием разработанной двумерной модели, приведенной в первой части настоящей работы, теоретически исследован нестационарный процесс газификации торфа в фиксированном слое в воздушной и паровоздушной средах при давлениях 1 Мпа и 0,18 Мпа, соответственно. Проведен сравнительный анализ термохимической переработки торфа в парокислородной, воздушной и паровоздушной средах. Показано, что: 1) в окислительной зоне при воздушном дутье температура дисперсной фазы оказывается несколько выше температуры частиц при парокислородном дутье, несмотря на меньшее содержание кислорода в газе. Это связано с интенсивным протеканием эндотермической реакции C+H2O=CO+H2 в зоне максимальных тепловыделений; 2) выход летучих веществ при парокислородной газификации происходит значительно быстрее, чем при воздушной из-за более быстрого прогрева массы слоя за счет более высокой скорости перемещения зоны максимальных тепловыделений по высоте слоя; 3) при воздушной газификации в окислительной зоне температура частиц превышает температуру жидкоплавкого состояния золы, что позволяет организовать устойчивое жидкое шлакоудаление из реактора; 4) процесс паровоздушной газификации в фиксированном слое организуется с сухим шлакоудалением, так как уровень температура торфа в зоне максимальных тепловыделений не превышает 1100 °С и оказывается ниже температуры начала деформации золы 1140 °С; 5) состав генераторного газа на выходе из реактора при воздушной газификации имеет меньшую горючую часть CO = 34,33 % и большее содержанием балласта N2 = 65,67 %, в отличие от парокислородной – CO2 = 1,5–2 %, H2O = 0,1–0,6 %, CO+H2 = 98 % и паровоздушной – CO+H2 = 45,5 %, N2 = 53,3 % и CO2 = 1,2–2,13 %. Отсюда следует, что калорийность и качество генераторного газа при парокислородном и паровоздушном дутье выше, чем при воздушном. Предложен оригинальный способ подачи высококонцентрированной пыли в основные горелки под разрежением с использованием газоструйного эжектора (рабочая среда – синтетический газ Pg = 1–1,5 МПа), что обеспечивает устойчивое воспламенение и стабилизацию пылеугольного факела. Библ. 4, рис.11, табл. 1. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2019-12-27 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/233 10.36296/1819-8058.2019.4(59).72-84 Vidnovluvana energetika ; No. 4(59) (2019): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 72-84 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 4(59) (2019): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 72-84 Відновлювана енергетика; № 4(59) (2019): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 72-84 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2019.4(59) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/233/164 Copyright (c) 2019 B. Rokhman https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | fixed bed peat thermal conductivity vapor-oxygen gasification conductive radiation temperature air vapor-air medium. Rokhman, B. MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 2. THEORETICAL STUDY OF MULTI-STAGE PEAT PROCESSING IN THE AIR AND VAPOR-AIR MEDIUM AT DIFFERENT PRESSURE |
| title | MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 2. THEORETICAL STUDY OF MULTI-STAGE PEAT PROCESSING IN THE AIR AND VAPOR-AIR MEDIUM AT DIFFERENT PRESSURE |
| title_alt | МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ФИКСИРОВАННОМ СЛОЕ: 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОСТАДИЙНОГО ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ ТОРФА В ВОЗДУШНОЙ И ПАРОВОЗДУШНОЙ СРЕДАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ДАВЛЕНИЯХ |
| title_full | MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 2. THEORETICAL STUDY OF MULTI-STAGE PEAT PROCESSING IN THE AIR AND VAPOR-AIR MEDIUM AT DIFFERENT PRESSURE |
| title_fullStr | MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 2. THEORETICAL STUDY OF MULTI-STAGE PEAT PROCESSING IN THE AIR AND VAPOR-AIR MEDIUM AT DIFFERENT PRESSURE |
| title_full_unstemmed | MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 2. THEORETICAL STUDY OF MULTI-STAGE PEAT PROCESSING IN THE AIR AND VAPOR-AIR MEDIUM AT DIFFERENT PRESSURE |
| title_short | MATHEMATICAL DESCRIPTION OF THE SOLID FUEL GASIFICATION PROCESS IN A FIXED BED: 2. THEORETICAL STUDY OF MULTI-STAGE PEAT PROCESSING IN THE AIR AND VAPOR-AIR MEDIUM AT DIFFERENT PRESSURE |
| title_sort | mathematical description of the solid fuel gasification process in a fixed bed: 2. theoretical study of multi-stage peat processing in the air and vapor-air medium at different pressure |
| topic | fixed bed peat thermal conductivity vapor-oxygen gasification conductive radiation temperature air vapor-air medium. |
| topic_facet | fixed bed peat thermal conductivity vapor-oxygen gasification conductive radiation temperature air vapor-air medium. неподвижный слой торф теплопроводность парокислородная газификация кондуктивный радиационный температура воздух паровоздушная среда. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/233 |
| work_keys_str_mv | AT rokhmanb mathematicaldescriptionofthesolidfuelgasificationprocessinafixedbed2theoreticalstudyofmultistagepeatprocessingintheairandvaporairmediumatdifferentpressure AT rokhmanb matematičeskoeopisanieprocessagazifikaciitverdogotoplivavfiksirovannomsloe2teoretičeskoeissledovaniemnogostadijnogoprocessapererabotkitorfavvozdušnojiparovozdušnojsredahprirazličnyhdavleniâh |