THEORETICAL STUDY OF NONSTATIONARY AIR GASIFICATION OF SOLID FUEL IN A FIXED BED AT ATMOSPHERIC PRESSURE
Based on the system of equations describing the process of coal conversion in the steam-oxygen mixture, a non-stationary model of air gasification of solid fuel in a fixed bed was constructed with allowance of interphase convective heat exchange, radiation-conductive heat transfer of the solid phase...
Збережено в:
| Дата: | 2020 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2020
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/247 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103336773582848 |
|---|---|
| author | Rokhman, B. Nekhamin, M. |
| author_facet | Rokhman, B. Nekhamin, M. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "B. Rokhman",
"institution": "Coal Energy Technology Institute NAS of Ukraine, 04070, Kyiv, str. Andreevskaya 19"
},
{
"author": "M. Nekhamin",
"institution": "Institute of Coal Energy Technology NAS Ukraine, 04070, 19 Andreevskaya st., Kyiv, Ukraine."
}
] |
| author_sort | Rokhman, B. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:14Z |
| description | Based on the system of equations describing the process of coal conversion in the steam-oxygen mixture, a non-stationary model of air gasification of solid fuel in a fixed bed was constructed with allowance of interphase convective heat exchange, radiation-conductive heat transfer of the solid phase, radiant and conductive heat exchange of the bed with the reactor wall, heterogeneous chemical reactions, gravity and aerodynamic force. The proposed model provides detailed information on the geometric, aerodynamic, thermal, and physicochemical parameters of air gasification of solid fuel in a fixed bed at different pressures at any time. This data can be used in the draft, technical and detailed reactors designing, commissioning and operation of the gas generator on sliding loads, when the process of air coal gasification is non-stationary. It has been shown that: a) the main gasification process of coke-ash particles occurs in a small area of a fixed bed of 91 mm, which leads to a decrease in the temperature of the solid phase by 160 °C and a concentration of CO2 → 0, as a result of which the remaining part of the gasification interval of ~ 185 mm  is ineffective; b) the section of the oxidation zone, where the temperature of the coke-ash particles reaches its maximum value, is very narrow ~ 34–41 mm; c) in the time interval of 1951–4052 s, where intensive displacement of the boundaries of the oxidation and gasification zones along the bed height occurs, the composition of the synthetic gas (by volume) at the reactor exit remains almost constant: CO = 34,32% and N2 = 65,66 %. Ref. 8, fig. 6. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2020.1(60).86-95 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
© Б.Б. Рохман, 2020
Відновлювана енергетика. 2020. № 1 86
УДК 532.529: 517.4 DOI: https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).86-95
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА
ВОЗДУШНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ
ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ
Б.Б. Рохман, докт. техн. наук, М.М. Нехамин, канд. техн. наук, старший научный сотрудник
Институт угольных энерготехнологий НАН Украины,
04070, ул. Андреевская 19, г. Киев, Украина.
На основе системы уравнений, описывающей процесс конверсии угля в парокислородной смеси, построена нестационарная
модель воздушной газификации твердого топлива в фиксированном слое с учетом межфазного конвективного теплообме-
на, радиационно-кондуктивного теплопереноса твердой фазы, лучистого и кондуктивного теплообмена слоя со стенкой
реактора, гетерогенных химических реакций, сил тяжести и аэродинамического сопротивлении. Предложенная модель
позволяет получить детальную информацию о геометрических, аэродинамических, тепловых и физико-химических пара-
метрах воздушной газификации твердого топлива в неподвижном слое при различных давлениях в любой момент времени.
Эта информация может быть использована при конструировании реакторов на стадиях эскизного, технического и рабо-
чего проектирования, пуско-наладочных режимах и работе газогенератора на скользящих нагрузках, когда процесс воз-
душной газификации угля является нестационарным. Показано, что: а) основной процесс газификации коксозольных ча-
стиц протекает на малом участке фиксированного слоя 91 мм, что приводит к понижению температуры твердой фазы
на 160 С и концентрация CO2→0, вследствие чего оставшаяся часть интервала газификации ~ 185 мм является малоэф-
фективной; б) участок окислительной зоны, где температура коксозольных частиц достигает максимального значения,
очень узок и составляет ~ 34–41 мм; в) во временном интервале 1951–4052 с, где происходит интенсивное перемещение
границ зон окисления и газификации по высоте слоя, состав синтетического газа (по объему) на выходе из реактора оста-
ется практически постоянным: CO = 34,32 % и N2 = 65,66 %. Библ. 8, рис. 6.
Ключевые слова: неподвижный слой, уголь, теплопроводность, воздушная газификация, кондуктивный, радиационный,
температура.
THEORETICAL STUDY OF NONSTATIONARY AIR GASIFICATION OF SOLID FUEL
IN A FIXED BED AT ATMOSPHERIC PRESSURE
B.B. Rokhman, doctor of technical sciences, M.M. Nekhamin, candidate of technical sciences, senior researcher
Institute of Coal Energy Technology NAS Ukraine,
04070, 19 Andreevskaya st., Kyiv, Ukraine.
Based on the system of equations describing the process of coal conversion in the steam-oxygen mixture, a non-stationary model of
air gasification of solid fuel in a fixed bed was constructed with allowance of interphase convective heat exchange, radiation-
conductive heat transfer of the solid phase, radiant and conductive heat exchange of the bed with the reactor wall, heterogeneous
chemical reactions, gravity and aerodynamic force. The proposed model provides detailed information on the geometric, aerody-
namic, thermal, and physicochemical parameters of air gasification of solid fuel in a fixed bed at different pressures at any time. This
data can be used in the draft, technical and detailed reactors designing, commissioning and operation of the gas generator on sliding
loads, when the process of air coal gasification is non-stationary. It has been shown that: a) the main gasification process of coke-
ash particles occurs in a small area of a fixed bed of 91 mm, which leads to a decrease in the temperature of the solid phase by
160 °C and a concentration of CO2 → 0, as a result of which the remaining part of the gasification interval of ~ 185 mm is ineffec-
tive; b) the section of the oxidation zone, where the temperature of the coke-ash particles reaches its maximum value, is very narrow
~ 34–41 mm; c) in the time interval of 1951–4052 s, where intensive displacement of the boundaries of the oxidation and gasification
zones along the bed height occurs, the composition of the synthetic gas (by volume) at the reactor exit remains almost constant: CO
= 34,32% and N2 = 65,66 %. Ref. 8, fig. 6.
Keywords: fixed bed, coal, thermal conductivity, air gasification, conductive, radiation, temperature.
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).86-95
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 1 87
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 политехниче-
ский 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: tel.: +38-044-425-53-77
e-mail: Brolene@yahoo.com
М.М. Нехамин
M. Nekhamin
Сведения об авторе: старший научный со-
трудник Института угольных энерготехноло-
гий НАН Украины, кандидат технических
наук.
Образование: 28 мая 1965 г. окончил Харь-
ковский авиационный институт, а 01.11.1970 –
аспирантуру Института электродинамики
НАН Украины. Работал в институтах Акаде-
мии Наук Украины в должностях младшего
научного сотрудника, старшего инженера,
руководителя группы, старшего научного
сотрудника. 21 апреля 1982 г. защитил дис-
сертацию кандидата технических наук.
Научная сфера: численное моделирование
процессов газодинамики и тепломассообмена
в энергетических установках.
Публикации: более 70 научных работ.
ORCID: 0000-0003-3679-321X
Контакты: тел.: +38-044-295-40-57
e-mail: nmark@i.ua
Author information: senior staff scientist of
Institute of Coal Energy Technologies of
NAS of Ukraine, candidate of technical sci-
ences.
Education: Finished the Kharkov aviation
institute on May, 28 1965 and post-graduate
course of Institute of electrodynamics of
NAS of Ukraine on 01.11.1970. Worked in
the institutes of Academy of Sciences of
Ukraine in positions of junior scientist,
senior engineer, leader of group, senior staff
scientist. Protected dissertation of candidate
of engineering sciences on April, 21 1982.
Research area: numeral modeling of
processes of aerodynamics, heat and mass
transfer in power plants.
Publications: more than 70 scientific papers.
ORCID: 0000-0003-3679-321X
Contacts: tel.: +38-044-295-40-57
e-mail: nmark@i.ua
Перечень используемых обозначений и сокращений:
a – степень черноты частицы;
B – расход, кг/ч;
C – концентрации газовых компонентов, кмоль/м3;
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;
L – универсальная газовая постоянная
кДж/(кмоль·К);
Nu – критерий Нуссельта;
P – давление, Н/м2;
Q – тепловой эффект реакции (кДж/кмоль) или теп-
ловой поток (кДж/(с·м3));
R – объемная доля компонента газовой смеси;
r – скорость гомогенной реакции, кмоль/( м3·c);
t – температура, С;
T – температура, K;
u – скорость, м/с;
z – аксиальная координата, м;
α – коэффициент массообмена, (м/с) или лучистого
теплообмена, (кДж/(с·м2·К));
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;
Ф – параметр модели теплопроводности зернистого
слоя.
mailto:Brolene@yahoo.com
mailto:Brolene@yahoo.com
mailto:nmark@i.ua
mailto:nmark@i.ua
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 1 88
Индексы нижние:
ash − зола;
air – воздух;
bed − слой;
С − углерод;
СО, CO2, H2O,
N2, O2
− окись и двуокись углерода, водяной
пар, азот, кислород;
C + O2, C +
0,5O2, C + СO2
− гетерогенные реакции;
CO + O2 − гомогенная реакция;
conv − конвективный теплообмен;
CO2→см,
O2→см,
CO→см
− диффузия углекислого газа, кислорода,
окиси углерода в газовую смесь;
D − диффузия;
g − газ;
max − максимальное значение;
p − частица;
p→w − передача тепла от частиц к стенке;
эф − эффективный;
0 − начальные условия.
Индексы верхние:
cond − кондуктивный теплообмен; rad − лучистый теплообмен.
w − поверхность;
Введение. В работах [1, 2] построена дву-
мерная модель и проведены численные исследо-
вания нестационарного процесса парокисло-
родной газификации дробленных частиц шу-
баркольского каменного длиннопламенного угля
под давлением 3 Мпа в неподвижном слое при
различных соотношениях массовых долей ком-
понентов парокислородной смеси: H2О/O2 =
45/55, H2О/O2 = 40/60 и H2О/O2 = 72/28.
В настоящей работе рассматривается случай
воздушной газификации частиц каменного угля в
неподвижном слое при атмосферном давлении.
Предполагается, что все летучие вещества выде-
ляются в пиролизере, расположенном вне слоя, а
в слое происходит термохимическая переработка
коксозольного остатка. Для описания слоевого
процесса была разработана нестационарная мо-
дель, базирующаяся на теоретических представ-
лениях, изложенных в [1].
В отличие от стационарного процесса, где
распределение параметров по высоте слоя не за-
висит от времени, здесь рассматривается случай
невозобновляемой загрузки коксозольных ча-
стиц, вследствие чего процесс газификации ста-
новится неустановившимся и характеризуется
изменяющимися во времени полями температур
и концентраций двухфазной среды в слое.
В соответствии с изменениями, претерпева-
емыми топливом в процессе термохимической
переработки, неподвижный слой коксозольных
частиц можно условно разделить на три зоны
(рис. 1). Первая из них (поз. 2), примыкающая к
колосниковой решетке, формируется из частиц
золы и шлака, образующихся в результате горе-
ния и газификации твердого топлива, и предна-
значена для защиты колосников от перегрева.
Над шлаковой подушкой располагается окисли-
тельная зона (поз. 3), где практически весь кис-
лород на очень небольшом участке слоя расходу-
ется на конверсию углерода согласно реакциям,
C+O2=CO2 и C+0,5O2=CO. Этот диапазон харак-
теризуется максимальным уровнем температур
из-за высоких значений тепловыделения гетеро-
генных реакций. В восстановительной зоне поз. 4
углекислый газ взаимодействует с углеродом по
эндотермической реакции C+СO2=2CO, что при-
водит к уменьшению температуры коксозольных
частиц. По этой причине, с учетом высоких зна-
чений энергии активации скорость реакции
C+СO2 =2CO уменьшается, благодаря чему про-
тяженность указанной области возрастает и ста-
новится значительно большей по сравнению с
окислительной зоной.
Рис. 1. Схема воздушной газификации твердого топлива
в неподвижном слое: 1 – горячий воздух; 2 – шлаковая по-
душка; 3 – зона окисления; 4 – зона газификации; 5 –выход
синтетического газа.
Fig. 1. Scheme of air gasification of solid fuel in a fixed bed: 1
– hot air; 2 – slag pad; 3 – oxidation zone; 4 – gasification zone;
5 – syngas outlet.
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 1 89
Постановка задачи. Предлагаемая модель
основана на следующих допущениях: 1) процесс
нестационарный; 2) газовая смесь в реакторе со-
стоит из кислорода, диоксида и оксида углерода,
азота; 3) дисперсная фаза включает монодис-
персные частицы сферической формы; 4) выход
летучих происходит вне слоя; 5) гетерогенные
реакции горения и газификации протекают на
поверхности коксозольных частиц, что приводит
к уменьшению их размера; 6) усадка неподвиж-
ного слоя за счет термохими-ческой переработки
твердого топлива не учиты-вается; 7) газ движет-
ся в режиме идеального вытеснения; 8) стехио-
метрическая схема реакций включает в себя три
гетерогенные реакции:C+O2 = CO2, C+0,5O2 = CO
и C+СO2 = 2CO; 9) гомогенная реакция CO +
0,5O2 = CO2 не учитывается, так как ее скорость
( ) gg
30,25
O
0,5
OHCO
12
OCO 167,4·10exp·2,239·10
222
TLCCСr −=+
равна нулю [3-6] из-за отсутствия в газе водяно-
го пара температура жидкоплавкого состояния
золы каменного угля t3 = 1500–1570 С (экиба-
стузкий разрез).
Слой прогревается высокотемпературной
смесью дымовых газов и воздуха до температуры
воспламенения частиц, расположенных в узкой
области, примыкающей к решетке. Далее проис-
ходит отключение теплоносителя и подача вме-
сто него горячего дутья с температурой
airt = 350 С. За начало отсчета τ = 0 выбрано
время воспламенения твердой фазы.
Основные уравнения. Система уравнений,
описывающая процесс воздушной газификации
коксозольных частиц в плотном слое может быть
представлена в следующем виде.
Уравнение неразрывности для кислорода
δ
)ε1()(6)(
τ
w
O0.5OCOCO
смO
OgO 2222
2
22
−+
−
=
+
++
→
Ckk
z
С
D
zz
СuС
. (1)
Уравнение неразрывности для диоксида углерода
δ
)ε1)((6)(
τ
w
COСOC
w
OOCCO
смCO
COgCO 22222
2
22
−−
+
=
+
++
→
CkCk
z
С
D
zz
СuС
. (2)
Уравнение неразрывности для окиси углерода
δ
)ε1)((21)(
τ
w
COСOC
w
O0.5OCCO
смCO
COgCO 2222
−+
+
=
+
++
→
CkCk
z
С
D
zz
СuС
. (3)
Уравнение изменения диаметра коксозольных частиц
p
Cw
COСOC
w
O0.5OCOC
ρ
2μ
)2(
τ
δ
22222
CkCkk
d
d
+++ ++−= . (4)
Уравнение сохранения количества движения газовой фазы
−−
+−
−=
+
32
g
2
ggg
ggg
g
2
gggg
εδ
ε)-(1ρη150
ηρρ
)ρ(
τ
)ρ( u
z
u
z
g
z
P
z
uu
3
2
gg
δε
ε)-(1ρ75,1 u
− . (5)
Уравнение теплового баланса коксозольных частиц
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 1 90
−−++
=
− ++++++ 22222222 COC
w
COСOC
w
OO5,0CO5,0COCOC
p
эф
pp
p )(λ
τ
)ε1(ρ QCkCQkQk
z
t
z
tc
cond
wp
rad
wpgpconv
δ
)ε1(6
)( →→ −−
−
−− QQtth . (6)
Уравнение сохранения энергии несущей среды
δ
)ε1(6
)(λ
)ρ(
τ
ρ
gpconv
g
эфg,
ggggggg −
−+
=
+
tth
z
t
zz
tсutс
, (7)
где эффективный коэффициент теплопроводности λэф находится по формуле [7]
p
g
g
prad,
g
grad,
g
эф
λ3
λ2
λ
δα
/Ф1
1
ε1
λ
δα
1ε
λ
λ
+
+
−
+
+= , (8)
коэффициент теплоотдачи излучением от частицы через газ мимо соседних зерен определяется со-
гласно выражению [7]
3
p
pp
9-
grad, 273)(
))ε-(1)/(2-(1ε1
1
100,227α +
+
= t
aa
, (9)
коэффициент теплоотдачи излучением между соседними частицами [7] –
p
3
pp9-
prad,
-2
273)(
100,227α
a
ta +
= , (10)
Концентрации газовых компонентов на поверхности частицы и коэффициенты массообмена
находятся как [8]
222
22
2
0,5OCOCOD,
OOD,w
O
α
α
++ ++
=
kk
С
C ,
22
2222
2
СOCCOD,
w
OOCCOCOD,w
CO
α
α
+
+
+
+
=
k
CkС
C ,
COD,
w
COСOC
w
OO5,0CCOCOD,w
CO
α
)(2α
2222
CkCkС
C
++ ++
= ,
δ
Nu
α
смO
OD,
2
2
→
=
D
, (11)
δ
Nu
α
смCO
COD,
2
2
→
=
D
,
δ
Nu
α смCO
COD,
→=
D
.
Граничные условия на входе в слой (z = 0) для уравнений (1)–(3) и (5)–(7) находятся из выражений:
z
t
p
=
2COС = COС = 0,
2OС = 0O2
С , ug = ug0, tg = tg0, (12)
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 1 91
на выходе из слоя (z = Hbed) –
z
t
g
=
z
С
2O
=
z
С
2CO
=
z
С
CO =
z
u
g
= 0, tp = tp0 = 700 С. (13)
Результаты численных расчетов. Обсудим
результаты расчета процесса воздушной газифи-
кации при атмосферном давлении дробленных
коксозольных частиц каменного угля с зольно-
стью 30 % диаметром δ0 = 9 мм и плотностью ρp
= 1350 кг/м3 ( 0N2
B = 145 кг/ч, 0O2
B = 43,3 кг/ч и
airt = 350 С) в реакторе с неподвижным слоем
порозностью ε = 0,4, высотой 0,415 м и сечением
слоя 0,1256 м2.
В кислородной зоне 0,105 м < z < 0,139 м
(τ = 1951 с) наблюдается интенсивная конверсия
коксозольных частиц в воздухе за счет окисли-
тельных и восстановительных гетерогенных ре-
акций. Здесь тепловыделение экзотермических
реакций C+O2 = CO2 и C+0,5O2 = CO превалирует
над теплопогло-щением эндотермической реак-
ции C+СO2 = 2CO, вследствие чего температура
частиц tp возрастает с 350 С до максимального
значения 1509,5 С, концентрация
2OC падает с
0,00419 кмоль/м3 до 0,000676 кмоль/м3, содержа-
ние компонентов CO2 и CO повышается и дости-
гает следующих значений: max,CO2
C = 0,000225
кмоль/м3 и COC = 0,00163 кмоль/м3 (риc. 2–4,
кривые 2).
Рис. 2. Распределение концентрации кислорода по высоте неподвижного слоя в зависимости от времени:
1 – 600 с; 2 – 1951 с; 3 – 2551 с; 4 – 3002 с; 5 – 3602 с; 6 – 4052 с.
Fig. 2. Oxygen concentration distribution over the height of the fixed bed depending on time:
1 – 600 s; 2 – 1951 s; 3 – 2551 s; 4 – 3002 s; 5 – 3602 s; 6 – 4052 s.
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 1 92
Рис. 3. Распределение температуры частиц по высоте неподвижного слоя в зависимости от времени
(обозначения те же, что на рис. 2).
Fig. 3. Particle temperature distribution over the height of the fixed bed as a function of time
(notations are the same as in Fig. 2).
Рис. 4. Распределение концентраций компонентов газа CO2 и CO по высоте неподвижного слоя
в зависимости от времени (обозначения те же, что на рис. 2).
Fig. 4. CO2 and CO concentrations distribution over the height of the fixed bed
depending on time (notations are the same as in Fig. 2).
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 1 93
Рис. 5. Распределение диаметра частиц по высоте неподвижного слоя в зависимости от времени
(обозначения те же, что на рис. 2).
Fig. 5. Particle diameter distribution over the height of the fixed bed depending on time
(notations are the same as in Fig. 2).
В этом интервале происходит резкое убыва-
ние функции δ(τ,z) из-за конверсии коксозольных
частиц за счет гетерогенных реакций, благодаря
чему диаметр дискретной фазы уменьшается с
δ = 7,34 мм до минимального размера частиц
δash = 6,02 мм, состоящих из золы (риc. 5, кривая
2). Полученный таким образом инертный мате-
риал формирует шлаковую подушку поз. 2 (рис.
1), которая защищает колосники от перегрева.
В окислительно-восстановительной области
реагирования 0,139 м < z < 0,156 м, где происхо-
дит интенсивный отвод тепла от дробленки за
счет конвективного межфазного теплообмена и
концентрация
2OC стремительно убывает до ми-
нимального значения, теплопоглощение эндо-
термической реакции превосходит тепловыделе-
ние экзотермических реакций, в результате зна-
чения tp и
2COC снижаются до 1445 С и
0,000169 кмоль/м3, величина COC возрастает до
0,002174 кмоль/м3, а диаметр частиц уменьшает-
ся с 8,54 мм до 7,34 мм.
Бескислородную восстановительную зону
0,156 м < z < 0,415 м можно условно разделить на
три характерных диапазона. В первом из них
0,156 м < z < 0,23 м величина
2COC убывает до
минимального значения из-за протекания гетеро-
генной эндотермической реакции, благодаря че-
му концентрация COC повышается до 0,0026
кмоль/м3, температура tp снижается до 1350 С, а
диаметр частиц δ уменьшается с 9 мм до 8,54 мм.
На втором участке 0,23 м < z < 0,39 м, где ско-
рость реакции C+СO2=2CO близка к нулю, пара-
метры рабочего процесса практически не изме-
няются. В третьем диапазоне 0,39 < z < 0,415 м
величина tp уменьшается из-за влияния гранично-
го условия (см. (13)), что приводит к возрастанию
зависимости COC (τ, z).
Конвективный теплообмен между твердой и
газовой фазами обеспечивает резкое возрастание
функции tg(τ, z) с 350 С до максимального зна-
чения 1407,3 С (рис. 6, кривая 2).
С течением времени высота шлаковой по-
душки повышается (∆zash(τ = 600 с) = 35,3 мм,
∆zash(τ = 4052 с) = 283 мм), вследствие чего зоны
окисления и газификации смещаются вверх по
вертикальной оси z (рис. 2–6, ср. кривые 1 и 6).
При этом в интервале 1951 с < τ < 4052 с состав
генераторного газа на выходе из реактора изме-
няется незначительно: COR = 34,32 %,
2NR =
65,66 % (рис. 4, ср. кривые 2 и 6).
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 1 94
Рис. 6. Распределение температуры газа по высоте неподвижного слоя в зависимости от времени
(обозначения те же, что на рис. 2).
Fig. 6. Gas temperature distribution over the height of the fixed bed as a function of time
(notations are the same as in Fig. 2).
Выводы. 1. Предложенная модель позволяет
получить детальную информацию о геометриче-
ских, аэродинамических, тепловых и физико-
химических параметрах воздушной газификации
твердого топлива в неподвижном слое при раз-
личных давлениях 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
скользящих нагрузках, когда процесс воздушной
газификации угля является нестационарным.
Показано, что:
а) интервал окислительной зоны, где тем-
пература коксозольных частиц достигает мак-
симального значения, очень узок и составляет ~
34–41 мм;
б) основной процесс газификации коксо-
зольных частиц протекает на малом участке фик-
сированного слоя ∆zbed = 91 мм, что приводит к
понижению температуры твердой фазы на 160 С
и концентрации CO2→0, вследствие чего остав-
шаяся часть интервала газификации ∆zbed =
= 185 мм является малоэффективной;
в) на участке 1951 с < τ < 4052 с, где проис-
ходит интенсивное перемещение границ зон
окисления и газификации по высоте слоя, состав
синтетического газа на выходе из реактора оста-
ется практически постоянным: COR = 34,32 % и
2NR = 65,66 %.
1. Рохман Б.Б. Двумерная модель процесса газифи-
кации твердого топлива в неподвижном слое под давле-
нием. 1. Исследование конверсии шубаркольского камен-
ного угля в парокислородной смеси при отношении мас-
совых долей H2О/O2=45/55. Відновлювана енергетика.
2019. № 1(56). С. 61-71.
2. Рохман Б.Б. Двумерная модель процесса газифика-
ции твердого топлива в неподвижном слое под давлением. 2.
Численные результаты термохимической переработки шу-
баркольского каменного угля при отношении массовых до-
лей в парокислородной смеси H2О/O2 = 72/28. Відновлювана
енергетика. 2019. № 2(57). С. 91-98.
3. Westbrook C.K, Dryer F.L. Simplified reaction mecha-
nisms for the oxidation of hydrocarbon fuels in flames. Combust.
Sci. Technol. 1981. Vol. 27. Pp. 31-43.
4. Bustanmante F., Enick R.M., Killmeyer R.P., Howard
B.H., Rothenberger K.S., Cugini A.V., Morreale B.D., Ciocco
M.V. Uncatalyzed and wall-catalyzed forward water-gas shift
reaction kinetics. AIChE J. 2005. Vol. 51. Pp. 1440-1454.
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2020. № 1 95
5. Ma J., Zitney S.E. CFD modeling of entrained-flow gasi-
fiers with improved physical and chemical submodels. Energy
Fuels 2012. Vol. 26. Pp. 7195-7219.
6. Gómes-Barea A., Leckner B. Modeling of biomass gasi-
fication in fluidized bed. Progress in Energy and Combustion
Science. 2010. Vol. 36. Pp. 449-509.
7. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты
со стационарным зернистым слоем. Л. Химия. 1979.
176 с.
8. Rokhman B.B. Modeling and numerical investigation of
the process of vapor-oxygen gasification of solid fuels in a verti-
cal flow reactor under pressure. Journal of Ehgineering Physics
and Thermopysics. 2014. Vol. 87. No. 5. Pp. 1103-1115.
REFERENCES
1. Rokhman B.B. Dvumernaya model processa gazi-
fikacii tverdogo topliva v nepodvizhnom sloe pod davleniem.
1. Issledovanie konversii shubarkolskogo kamennogo uglya v
parokislorodnoj smesi pri otnoshenii massovyh dolej
H2О/O2=45/55. [Two-dimensional model of the solid fuel
gasification in a fixed bed under presser. 1. Investigation of
Shubarkol coal conversion in a steam-oxygen mixture with
the mass part of H2О/O2=45/55]. Vidnovluvana energetika.
2019. No. 1(56). Pp. 61-71.[in Russian].
2. Rokhman B.B. (2019). Dvumernaya model processa ga-
zifikacii tverdogo topliva v nepodvizhnom sloe pod davleniem.
2. Chislovye rezultaty termohimicheskoj pererabotki shubar-
kolskogo kamennogo uglya pri sootnoshenii massovyh dolej
H2О/O2=72/28. [Two-dimensional model of the solid fuel gasifi-
cation in a fixed bed under presser. 2. Numerical results of ther-
mal-chemical processing of Shubarkol coal at a ratio of mass
fractions H2О/O2=72/28]. Vidnovluvana energetika. № 2(57).
Pp. 91–98. [in Russian].
3. Westbrook C.K, Dryer F.L. Simplified reaction mecha-
nisms for the oxidation of hydrocarbon fuels in flames. Combust.
Sci. Technol. 1981. Vol. 27. Pp. 31-43. [in English].
4. Bustanmante F., Enick R.M., Killmeyer R.P., Howard
B.H., Rothenberger K.S., Cugini A.V., Morreale B.D., Ciocco
M.V. Uncatalyzed and wall-catalyzed forward water-gas shift
reaction kinetics. AIChE J. 2005. Vol. 51. Pp. 1440-1454. [in
English].
5. Ma J., Zitney S.E. CFD modeling of entrained-flow gasi-
fiers with improved physical and chemical submodels. Energy
Fuels 2012. Vol. 26. Pp. 7195-7219. [in English].
6. Gomes-Barea A., Leckner B. Modeling of biomass gasi-
fication in fluidized bed. Progress in Energy and Combustion
Science. 2010. Vol. 36. Pp. 449-509. [in English].
7. Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты
со стационарным зернистым слоем. Л. Химия. 1979.
176 с. [in English].
8. Rokhman B.B. Modeling and numerical investigation of
the process of vapor-oxygen gasification of solid fuels in a verti-
cal flow reactor under pressure. Journal of Ehgineering Physics
and Thermopysics. 2014. Vol. 87. No. 5. Pp. 1103-1115. [in
English].
ТЕОРЕТИЧНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ НЕСТАЦІОНАРНОГО
ПРОЦЕСУ ПОВІТРЯНОЇ ГАЗИФІКАЦІЇ ТВЕРДОГО
ПАЛИВА В НЕРУХОМОМУ ШАРІ ПРИ
АТМОСФЕРНОМУ ТИСКУ
Б.Б. Рохман, докт. техн. наук, М.М. Нехамін, канд. техн.
наук, старший науковий співробітник
Інститут вугільних енерготехнологій НАН України,
04070, вул. Андріївська 19, м. Київ, Україна.
На основі системи рівнянь, яка описує процес конверсії ву-
гілля в парокисневій суміші побудовано нестаціонарну мо-
дель повітряної газифікації твердого палива у фіксованому
шарі з урахуванням міжфазного конвективного теплообмі-
ну, радіаційно-кондуктивного теплопереносу твердої фази,
променистого і кондуктивного теплообміну шару зі стін-
кою реактора, гетерогенних хімічних реакцій, сил тяжіння і
аеродинамічного опору. Запропонована модель дозволяє
отримати детальну інформацію про геометричні, аероди-
намічні, теплові і фізико-хімічні параметри повітряної га-
зифікації твердого палива в нерухомому шарі при різних
тисках в будь-який момент часу. Ця інформація може бути
використана при конструюванні реакторів на стадіях ескі-
зного, технічного та робочого проектування, пуско-
налагоджувальних режимах і роботі газогенератора на
ковзних навантаженнях, коли процес повітряної газифікації
вугілля є нестаціонарним. Показано, що: а) основний процес
газифікації коксозольних частинок відбувається на малій
ділянці фіксованого шару 91 мм, що призводить до знижен-
ня температури твердої фази на 160 °С і концентрація
CO2→0, внаслідок чого решта інтервалу газифікації
~ 185 мм є малоефективною; б) ділянка окислювальної зони,
де температура коксозольних частинок досягає максималь-
ного значення, є дуже вузькою і становить ~ 34-41 мм; в) у
часовому інтервалі 1951-4052 с, де відбувається інтенсивне
переміщення границь зон окислення і газифікації по висоті
шару, склад синтетичного газу (за об’ємом) на виході з реа-
ктора залишається практично незмінним: CO = 34,32% і
N2= 65,66 %. Бібл. 8, рис. 6.
Ключові слова: нерухомий шар, вугілля, теплопровід-
ність, повітряна газифікація, кондуктивний, радіаційний,
температура.
Стаття надійшла до редакції 28.12.18
Остаточна версія 18.03.20
|
| id | veorgua-article-247 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:06:35Z |
| publishDate | 2020 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/d6/75c922ee88c7486e38747d79dc409fd6.pdf |
| spelling | veorgua-article-2472026-07-18T06:32:14Z THEORETICAL STUDY OF NONSTATIONARY AIR GASIFICATION OF SOLID FUEL IN A FIXED BED AT ATMOSPHERIC PRESSURE ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА ВОЗДУШНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ Rokhman, B. Nekhamin, M. fixed bed, coal, thermal conductivity, air gasification, conductive, radiation, temperature. неподвижный слой, уголь, теплопроводность, воздушная газификация, кондуктивный, радиационный, температура. Based on the system of equations describing the process of coal conversion in the steam-oxygen mixture, a non-stationary model of air gasification of solid fuel in a fixed bed was constructed with allowance of interphase convective heat exchange, radiation-conductive heat transfer of the solid phase, radiant and conductive heat exchange of the bed with the reactor wall, heterogeneous chemical reactions, gravity and aerodynamic force. The proposed model provides detailed information on the geometric, aerodynamic, thermal, and physicochemical parameters of air gasification of solid fuel in a fixed bed at different pressures at any time. This data can be used in the draft, technical and detailed reactors designing, commissioning and operation of the gas generator on sliding loads, when the process of air coal gasification is non-stationary. It has been shown that: a) the main gasification process of coke-ash particles occurs in a small area of a fixed bed of 91 mm, which leads to a decrease in the temperature of the solid phase by 160&nbsp;°C and a concentration of CO2 → 0, as a result of which the remaining part of the gasification interval of ~ 185 mm&nbsp; is ineffective; b) the section of the oxidation zone, where the temperature of the coke-ash particles reaches its maximum value, is very narrow ~ 34–41 mm; c) in the time interval of 1951–4052 s, where intensive displacement of the boundaries of the oxidation and gasification zones along the bed height occurs, the composition of the synthetic gas (by volume) at the reactor exit remains almost constant: CO = 34,32% and N2 = 65,66 %. Ref. 8, fig. 6. На основе системы уравнений, описывающей процесс конверсии угля в парокислородной смеси, построена нестационарная модель воздушной газификации твердого топлива в фиксированном слое с учетом межфазного конвективного теплообмена, радиационно-кондуктивного теплопереноса твердой фазы, лучистого и кондуктивного теплообмена слоя со стенкой реактора, гетерогенных химических реакций, сил тяжести и аэродинамического сопротивлении. Предложенная модель позволяет получить детальную информацию о геометрических, аэродинамических, тепловых и физико-химических параметрах воздушной газификации твердого топлива в неподвижном слое при различных давлениях в любой момент времени. Эта информация может быть использована при конструировании реакторов на стадиях эскизного, технического и рабочего проектирования, пуско-наладочных режимах и работе газогенератора на скользящих нагрузках, когда процесс воздушной газификации угля является нестационарным. Показано, что: а) основной процесс газификации коксозольных частиц протекает на малом участке фиксированного слоя 91 мм, что приводит к понижению температуры твердой фазы на 160 °С и концентрация CO2→0, вследствие чего оставшаяся часть интервала газификации ~ 185 мм является малоэффективной; б) участок окислительной зоны, где температура коксозольных частиц достигает максимального значения, очень узок и составляет ~ 34–41 мм; в) во временном интервале 1951–4052 с, где происходит интенсивное перемещение границ зон окисления и газификации по высоте слоя, состав синтетического газа (по объему) на выходе из реактора остается практически постоянным: CO = 34,32 % и N2 = 65,66 %. Библ. 8, рис. 6. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2020-03-30 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/247 10.36296/1819-8058.2020.1(60).86-95 Vidnovluvana energetika ; No. 1(60) (2020): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 86-95 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1(60) (2020): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 86-95 Відновлювана енергетика; № 1(60) (2020): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 86-95 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2020.1(60) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/247/176 Copyright (c) 2020 B. Rokhman, M. Nekhamin https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | fixed bed coal thermal conductivity air gasification conductive radiation temperature. Rokhman, B. Nekhamin, M. THEORETICAL STUDY OF NONSTATIONARY AIR GASIFICATION OF SOLID FUEL IN A FIXED BED AT ATMOSPHERIC PRESSURE |
| title | THEORETICAL STUDY OF NONSTATIONARY AIR GASIFICATION OF SOLID FUEL IN A FIXED BED AT ATMOSPHERIC PRESSURE |
| title_alt | ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНОГО ПРОЦЕССА ВОЗДУШНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В НЕПОДВИЖНОМ СЛОЕ ПРИ АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ |
| title_full | THEORETICAL STUDY OF NONSTATIONARY AIR GASIFICATION OF SOLID FUEL IN A FIXED BED AT ATMOSPHERIC PRESSURE |
| title_fullStr | THEORETICAL STUDY OF NONSTATIONARY AIR GASIFICATION OF SOLID FUEL IN A FIXED BED AT ATMOSPHERIC PRESSURE |
| title_full_unstemmed | THEORETICAL STUDY OF NONSTATIONARY AIR GASIFICATION OF SOLID FUEL IN A FIXED BED AT ATMOSPHERIC PRESSURE |
| title_short | THEORETICAL STUDY OF NONSTATIONARY AIR GASIFICATION OF SOLID FUEL IN A FIXED BED AT ATMOSPHERIC PRESSURE |
| title_sort | theoretical study of nonstationary air gasification of solid fuel in a fixed bed at atmospheric pressure |
| topic | fixed bed coal thermal conductivity air gasification conductive radiation temperature. |
| topic_facet | fixed bed coal thermal conductivity air gasification conductive radiation temperature. неподвижный слой уголь теплопроводность воздушная газификация кондуктивный радиационный температура. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/247 |
| work_keys_str_mv | AT rokhmanb theoreticalstudyofnonstationaryairgasificationofsolidfuelinafixedbedatatmosphericpressure AT nekhaminm theoreticalstudyofnonstationaryairgasificationofsolidfuelinafixedbedatatmosphericpressure AT rokhmanb teoretičeskoeissledovanienestacionarnogoprocessavozdušnojgazifikaciitverdogotoplivavnepodvižnomsloepriatmosfernomdavlenii AT nekhaminm teoretičeskoeissledovanienestacionarnogoprocessavozdušnojgazifikaciitverdogotoplivavnepodvižnomsloepriatmosfernomdavlenii |