KINETICS OF THERMOLYSIS AND BURNING OF SOLID BIOFUEL PARTICLES. PART 4. INFLUENCE OF PELLETS ANISOTROPY ON OXIDATION RATE OF CARBON FROM COKEASH RESIDUE IN AXIAL AND RADIAL DIRECTIONS
Висунуто припущення про вплив анізотропії циліндричних гранул біопалива на швидкість окислення вуглецю в осьовому та радіальному напрямках. Аналітично отримана залежність для визначання швидкості вигорання вуглецю з коксозольного залишку гранул біопалива в осьовому напрямку з використанням експериме...
Збережено в:
| Дата: | 2017 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2017
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/29 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103066431815680 |
|---|---|
| author | Zhovmir, M. |
| author_facet | Zhovmir, M. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "M. Zhovmir",
"institution": "Institute of Renewable Energy, NAS of Ukraine"
}
] |
| author_sort | Zhovmir, M. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:07Z |
| description | Висунуто припущення про вплив анізотропії циліндричних гранул біопалива на швидкість окислення вуглецю в осьовому та радіальному напрямках. Аналітично отримана залежність для визначання швидкості вигорання вуглецю з коксозольного залишку гранул біопалива в осьовому напрямку з використанням експериментальних даних про розміри круглої пластини біопалива, її маси та тривалості повного вигорання. Експериментально визначена швидкість окислення вуглецю з коксозольного залишку в осьовому напрямку значно вища ніж у радіальному, що необхідно враховувати при розрахунку тривалості горіння гранул. |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:00Z |
| format | Article |
| fulltext |
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 4 93
УДК 662.61+662.63
КІНЕТИКА ТЕРМОЛІЗУ ТА ВИГОРАННЯ ЧАСТОК ТВЕРДОГО БІОПАЛИВА.
ЧАСТИНА 4. ВПЛИВ АНІЗОТРОПІЇ ГРАНУЛ НА ШВИДКІСТЬ
ОКИСЛЕННЯ ВУГЛЕЦЮ З КОКСОЗОЛЬНОГО ЗАЛИШКУ
В ОСЬОВОМУ ТА РАДІАЛЬНОМУ НАПРЯМКАХ
М.М. Жовмір, канд. техн. наук,
Інститут відновлюваної енергетики НАН України, 02094, м.Київ, вул. Гната Хоткевича, 20А,
тел./факс +38-044-206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net
ORCID: 0000-0001-6514-7474
Висунуто припущення про вплив анізотропії циліндричних гранул біопалива на швидкість окислення вуглецю в осьовому та
радіальному напрямках. Аналітично отримана залежність для визначання швидкості вигорання вуглецю з коксозольного
залишку гранул біопалива в осьовому напрямку з використанням експериментальних даних про розміри круглої пластини
біопалива, її маси та тривалості повного вигорання. Експериментально визначена швидкість окислення вуглецю з коксозо-
льного залишку в осьовому напрямку значно вища ніж у радіальному, що необхідно враховувати при розрахунку тривалості
горіння гранул. Бібл. 9, табл. 2, рис. 3.
Ключові слова: тверде біопаливо, гранули, коксозольний залишок, вуглець, вигорання, швидкість, анізотропія
KINETICS OF THERMOLYSIS AND BURNING OF SOLID BIOFUEL PARTICLES.
PART 4. INFLUENCE OF PELLETS ANISOTROPY ON OXIDATION RATE OF
CARBON FROM COKEASH RESIDUE IN AXIAL AND RADIAL DIRECTIONS
Zhovmir M.,
Institute of Renewable Energy, NAS of Ukraine, Hnata Khotkevycha, 20A, 02094, Kyiv-94, Ukraine,
Phone/fax: +38-044-206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net
ORCID: 0000-0001-6514-7474
Influence of anisotropy of cylindrical biofuels pellets on carbon oxidation rate in axial and radial directions is assumed. Equation
for determining carbon burning out rate from cokeash residue in axial direction based at dimensions of round plate, its mass and
burnout duration is analytically derived. Experimentally found carbon burning out rate from cokeash residue of pellet in axial direc-
tion is higher than that in radial direction that should to be taken into account at calculation of pellets burning duration. References
9, tables 2, figures 3.
Keywords: solid biofuels, pellets, cokeash residue, carbon, burning out, rate, anisotropy
Жовмір М.М.,
Zhovmir M.
Відомості про автора: старший науковий співробітник відділу відновлюваних органічних
енергоносіїв Інституту відновлюваної енергетики НАН України; доцент кафедри віднов-
люваних джерел енергії НТУУ «Київський політехнічний інститут»
Сфера наукових інтересів: теплоенергетика, біоенергетика, спалювання та термохімічна
переробка біомаси
Публікації: 132 статті та тези доповідей, 7 патентів
© М.М.Жовмір, 2017
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 4 94
Скорочення та умовні позначення
δ0 – напівтовщина круглої пластини вирізаної з гранули у поперечному напрямку,м;
δ – координата фронту горіння відрахована від середини пластини, м;
ρc – умовна густина вуглецю в коксозольному залишку, кг/м3;
ρd – середня густина круглої пластини вирізаної з гранули у сухому стані кг/м3
ρdp – густина гранули у сухому стані, кг/м3
ρdi – початкова густина часток біомаси, що використана для пресування гранул, кг/м3;
– час, с;
ba – тривалість повного вигорання вуглецю з пластини коксозольного залишку, с;
Ad – вміст золи на суху масу палива, частка за масою;
d, R – діаметр та радіус гранули, м;
h – товщина круглої пластини вирізаної з гранули у поперечному напрямку,м;
k – коригувальний множник;
mc – маса вуглецю у частці коксозольного залишку, кг;
md – маса пластини біопалива у сухому стані, кг;
V – об’єм пластини, м3;
Vdaf – вихід летких речовин на суху беззольну масу палива, частка за масою;
wcr – швидкість окислення вуглецю з коксозольного залишку в радіальному напрямку, кг/(м2с);
wca – швидкість окислення вуглецю з коксозольного залишку за осьовим напрямком, кг/(м2с).
Вступ. В попередній частині роботи [1] було
визначено швидкість окислення вуглецю коксо-
зольного залишку з використанням довгих дере-
вних та солом’яних гранул з ізольованими тор-
цями. Вважаючи, що швидкість окислення вугле-
цю по всій поверхні коксозольного залишку є
однаковою, на основі отриманих даних намага-
лися розрахувати тривалість вигоряння коксозо-
льного залишку гранул різної довжини. Отримали
задовільний збіг розрахункових та експеримента-
льних даних для довгих гранул – довжиною більше
20-25 мм, але для коротших гранул розрахункова
тривалість вигоряння вуглецю з коксозольного за-
лишку значно перевищувала експериментально
визначену. Зазначимо, що у промислових партіях
деревних та солом’яних гранулах переважають ча-
стки довжиною менше 20 мм, а тому належний
розрахунок тривалості їх вигоряння є важливим
при спалюванні поліфракційного палива.
Для виявлення можливих причин вказаних
розбіжностей провели додаткові спостереження
за ходом вигоряння вуглецю з коксозольного за-
лишку гранул. Спостереження показали наступні
особливості цього процесу:
візуально відмічено, що вигоряння вуг-
лецю з коксозольного залишку відбувається як по
циліндричній бічній поверхні, так і з плоских то-
рців гранул; при цьому майже плоскі фронти
окислення вуглецю від торців зміщуються до се-
редини частки з швидкістю більшою, ніж цилінд-
ричний фронт окислення вуглецю зміщується по
радіусу до осі частки;
торці коксозольного залишку на фоні му-
фельної печі світяться яскравіше, ніж циліндрична
поверхня залишку, що може свідчити про їх вищу
температуру, і при майже однакових умовах теп-
лообміну – про більше виділення енергії та більшу
швидкість реагування вуглецю на торцях;
візуально відмічено, що завершення оки-
слення вуглецю відбувається у вигляді одиночної
яскравої точки посередині довжини на осі частки
коксозольного залишку.
Виявлені особливості дозволяють припусти-
ти, що швидкість окислення вуглецю коксозоль-
ного залишку циліндричних гранул залежить від
напрямку – в осьовому напрямку є вищою, ніж у
радіальному. У відомих основоположних роботах
з горіння палив [2, 3] та дослідженнях швидкості
вигоряння вугілля, деревного вугілля, деревини
та пресованих деревних гранул [4, 5] частки па-
лива по замовчуванню вважаються ізотропними,
а швидкість вигоряння вуглецю вважається одна-
ковою для всієї поверхні частки.
Зміну властивостей залежно від напрямку
прийнято називати анізотропією. Висунуте при-
пущення щодо відмінності швидкостей окислен-
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 4 95
ня вуглецю коксозольного залишку гранул в
осьовому та радіальному напрямках можна пояс-
нити анізотропією фізичних властивостей гранул
твердого біопалива.
Паливні гранули виробляють із таких матері-
алів, як деревина, солома та стебла сільськогос-
подарських культур, які є пористими матеріала-
ми. Середня густина сухої соснової деревини
становить 380-400 кг/м3. При виробництві гранул
матеріал подрібнюють до часток розміром менше
1 мм та пресують із досягненням густини гранул
1050-1300 кг/м3.
Густина стінок сухої пшеничної соломи ста-
новить 395-480 кг/м3, а густина пресованих со-
лом’яних гранул – 980-1300 кг/м3.
Відповідно до сучасних уявлень, у найбільш
поширених пресах з круглою та циліндричною
матрицею пресування гранул з подрібненої біо-
маси відбувається у три стадії [6]:
при русі нажимного ролика на поверхні
матриці утворюється тимчасовий стиснутий шар
матеріалу (стиснутий у напрямку поздовжньої осі
утворюваної гранули – доповнення автора);
стиснутий матеріал проштовхується в
канали преса і тече в них;
при течії матеріалу в каналах вникають
сили тертя, що протидіють силам пресування і
зумовлюють пресування стиснутого матеріалу.
При проходженні наступного ролика довжи-
на гранули, яка формується в каналі преса, збі-
льшується на величину, що визначається товщи-
ною стиснутого шару на поверхні матриці. Мож-
на допустити, що в осьовому (поздовжньому)
напрямку ущільнення матеріалу є більш значним,
ніж у поперечному (радіальному). Розглядаючи
гранули, можна відмітити, що їх структура є ша-
руватою, внаслідок чого вони легко розламують-
ся упоперек на коротші лускоподібні частки (рис.
1). Як видно з рисунка, поперечний розлом гра-
нули не є плоским, а має форму наближену до
параболоїда. Гранулу можна розглядати як суку-
пність лускоподібних часток, впресованих одна в
одну з формуванням циліндричного тіла (рис. 2).
Рис. 1. Вигляд гранули та лускоподібних часток.
Fig.1. View of pellet and scalelike particles.
Рис. 2. Структура пресованої гранули біопалива: a – поздовжній переріз гранули;
b – окрема луска; c – структура тонкого зразка при поперечному розрізанні гранули.
Fig. 2. Structure of pressed pellet of biofuel: a – longitudinal section of pellet;
b – separate scale; c – structure of thin plate at cross section of pellet.
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 4 96
На анізотропність гранул звертають увагу,
але визначення теплопровідності гранул здійс-
нюють вимірюванням теплопровідності їх засип-
ки та розрахунку середньої теплопровідності час-
ток без врахування відмінності за напрямками
[7]. Відомо, що теплопровідність пористих тіл
зростає зі зростанням їх густини [8]. У зв’язку з
переважаючим ущільненням матеріалу гранули в
осьовому напрямку можна припустити, що гус-
тина та теплопровідність гранули в осьовому на-
прямку повинні бути вищими, ніж у радіальному,
тобто гранула пресованого біопалива та утворе-
ний з неї коксозольний залишок є анізотропними.
Теплопровідність в анізотропних тілах, переваж-
но кристалах та шаруватих тілах, розглядається в
[9]. Інтенсифікація явищ переносу (зокрема теп-
лопровідності) за напрямком з більшою густиною
матеріалу в підсумку може обумовлювати збіль-
шення швидкості окислення вуглецю з коксозоль-
ного залишку пресованого біопалива в осьовому
(поздовжньому) напрямку. В попередній частині
роботи [1] фактично здійснили вимірювання
швидкості окислення вуглецю з коксозольного
залишку в радіальному напрямку wcr з викорис-
танням довгих гранул з ізольованими торцями.
Мета роботи. В даній статті наведено резуль-
тати експериментальних вимірювань швидкості
окислення вуглецю з коксозольного залишку гра-
нул в осьовому (поздовжньому) напрямку wca.
Методика визначення швидкості виго-
ряння вуглецю за осьовим (поздовжнім) на-
прямком коксозольного залишку гранули.
Розглядаємо вигоряння вуглецю з коксозольного
залишку, що утворився після виходу летких із
круглої пластини, що вирізана з гранули біопали-
ва перпендикулярно її поздовжній осі (рис. 2, с).
Приймаємо, що розміри утвореної частки коксо-
зольного залишку рівні початковим розмірам
круглої пластинки, вирізаної з гранули біопалива.
Утворений коксозольний залишок також мо-
жна вважати круглою пластиною, що має товщи-
ну h = 2δ0, де δ0 – напівтовщина пластини, вико-
ристовується як її характерний розмір (рис. 3).
Пластина обмежена циліндром з радіусом, що
дорівнює радіусу гранули R. Початковий об’єм
пластини становить 2
02V R , а маса в сухому
стані md. Після виходу летких речовин маса вуг-
лецю mc у коксозольному залишку становить:
(1 )(1 )c d d dafm m A V , (1)
де Vdaf – вихід летких речовин на суху беззоль-
ну масу палива, частка за масою; Ad – вміст золи
на суху масу палива, частка за масою.
Рис. 3. Схема до математичної моделі вигоряння круглої пластини коксозольного залишку гранули в осьовому на-
прямку.
Fig. 3. Scheme to mathematical model of carbon burning out in axial direction from round plate of cokeash residue of pellet.
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 4 97
Середню умовну густину вуглецю в коксозо-
льному залишку ρc будемо визначати як відно-
шення маси вуглецю mc до початкового об’єму
пластини V:
(1 )(1 )c
c d d daf
m
A V
V
, (2)
де d – середня густина круглої пластини, вирі-
заної з гранули у сухому стані, кг/м3.
Приймаємо, що бічна поверхня круглої
пластини є значно меншою від площі торців
2
02 2 2R R , тобто товщина пластини
менша від радіуса гранули: 02 R . При тако-
му припущенні реагуванням вуглецю на бічній
поверхні будемо нехтувати і вважати їх такими,
що не реагують, тобто кругла пластина коксо-
зольного залишку розглядається як тонка без-
кінечна пластина.
Під дією окислювача у пластині формується
два плоскі фронти окислення вуглецю, які посту-
пово переміщуються від торців до середини.
Можна прийняти, що швидкість вигоряння вуг-
лецю з коксозольного залишку в осьовому на-
прямку wса, віднесена до площі торцевої реагую-
чої поверхні, залишається однаковою при змі-
щенні фронту гетерофазної реакції до середини
пластини. За безкінечно малий проміжок часу d
маса вуглецю dmc, що окислений у двох фронтах,
буде становити:
2d 2 dc cam R w . (3)
За проміжок часу d в результаті вигоряння
вуглецю фронти реакції зміщуються від поло-
ження δ на dδ та займуть положення δ – dδ. При
цьому два фронти горіння вуглецю пройдуть че-
рез об’єм коксозольного залишку dV:
2 2 2d 2 2( d ) 2V R R R d . (4)
При проходженні фронту горіння вуглецю
через об’єм коксозольного залишку dV в реакцію
вступить маса вуглецю:
2d 2c с сdm V R d . (5)
Прирівнявши вирази (3) та (5), після пере-
творень отримаємо диференціальне рівняння:
d dc
caw
. (6)
Після інтегрування з урахуванням, що у по-
чатковий момент часу = 0 поточне значення
δ = δ0, отримаємо залежність, яка визначає три-
валість вигоряння вуглецю в шарі від торцевої
поверхні частки δ0 до внутрішньої поверхні на
відстані δ від середини пластини:
0( )c
caw
. (7)
Тривалість повного вигоряння вуглецю ba із
пластини коксозольного залишку відповідає до-
сягненню фронтами реакції до середини пласти-
ни δ = 0, тоді:
0
c
ba
caw
. (8)
Для тонкої круглої пластини, вирізаної з гра-
нули, експериментально можна визначити її по-
чатковий характерний розмір δ0, тривалість пов-
ного вигоряння вуглецю з утвореного з неї коксо-
зольного залишку ba, а швидкість вигоряння ву-
глецю в осьовому напрямку wca знайти за залеж-
ністю, яка слідує з виразу (8):
0
c
ca
b
w
. (9)
Експериментальні вимірювання швидко-
сті окислення вуглецю з коксозольного зали-
шку гранули за осьовим напрямком. Для про-
ведення дослідів використовували висушені де-
ревні гранули діаметром 6 мм (шифр зразка ДГЧ-
6 із середньою густиною часток 1220 кг/м3), для
яких раніше були виміряні: вміст золи
Ad = 0,4%, вихід летких речовин Vdaf = 82%, шви-
дкість окислення вуглецю в радіальному напрям-
ку wcr = (1,620,09) г/(м2·с) [1]. З цих гранул вирі-
зали круглі пластини правильної форми товщи-
ною до 5 мм. Для зменшення впливу вигоряння
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 4 98
вуг-лецю в радіальному напрямку твірну поверх-
ню зразків ізолювали муллітокремнеземистою
ватою шаром товщиною 5-6 мм. Для посадки в
муфельну піч підготовлений зразок розміщували
на дротяному штативі під кутом 60о від горизон-
талі, що має забезпечити близькі умови омивання
повітрям обох реагуючих поверхонь. Досліди з
визначення тривалості повного вигоряння вугле-
цю з коксозольного залишку (як проміжок часу
від моменту завершення виходу летких до повно-
го вигоряння частки) проводили при температурі
в муфельній печі 700оС при вільному доступі по-
вітря за методикою, викладеною у роботі [1].
Отримані результати. Розраховані за експе-
риментальними даними за залежністю (9) зна-
чення wca наведено у табл. 1. За отриманими да-
ними середнє значення швидкості вигоряння вуг-
лецю з коксозольного залишку деревних гранул в
осьовому напрямку становить wca = 3,23 г/(м2·с),
що в 1,7-2,0 рази більше, порівняно з швидкістю
вигоряння у радіальному напрямку для гранул
цієї ж партії.
Таблиця 1. Швидкість вигоряння вуглецю в осьовому напрямку з коксозольного залишку тонких поперечних зрізів
деревних гранул діаметром 6 мм
Table 1. Rate of carbon burning out in axial direction from thin cross cuts off of ш6mm wood pellets
Товщина
пластини
Маса
сухої час-
тки
Густина
частки гра-
нули
Тривалість
вигоряння
вуглецю
Швидкість окислення вуг-
лецю в осьовому напрямку
Відношення
wca/wcr
h, мм m , г d , кг/м3 τb , с wca , г/(м2·с) –
2 0,06 1061,6 70 2,72 1,68
2,4 0,08 1179,5 74 3,43 2,12
3,2 0,1 1105,8 98 3,24 2,00
3,8 0,12 1117,4 108 3,52 2,18
4,2 0,13 1095,3 134 3,08 1,90
5,2 0,16 1088,8 157 3,23 2,00
Середнє значення 3,23 2,00
Для вимірювань швидкості окислення вуг-
лецю з коксозольного залишку солом’яних гра-
нул в осьовому напрямку використовували гра-
нули діаметром 6 мм (шифр партії СГУ-6 із се-
редньою густиною часток 1175 кг/м3), для яких
раніше були виміряні: вміст золи Ad = 5,45%,
вихід летких речовин Vdaf = 81%, швидкість
окислення вуглецю в радіальному напрямку
wcr = (1,680,21) г/(м2·с) [1]. З цих гранул вирі-
зали круглі пластини правильної форми товщи-
ною до 3 мм.
Визначена швидкість вигоряння вуглецю з
коксозольного залишку солом’яних гранул в
осьовому напрямку становить wca = 2,31 г/(м2·с)
(табл. 2), що в 1,4-1,5 разів більше, порівняно з
показником для радіального напрямку.
Таблиця 2. Швидкість вигоряння вуглецю в осьовому напрямку з коксозольного залишку тонких поперечних зрізів
солом’яних гранул діаметром 6 мм
Table 2. Rate of carbon burning out in axial direction from thin cross cuts off of ш6mm straw pellets
Товщина
пластини
Маса
сухої час-
тки
Густина част-
ки гранули
Тривалість
вигорання
вуглецю
Швидкість окислення вуг-
лецю в осьовому напрямку
Відношення
wca/wcr
h, мм md , г d , кг/м3 τb , с wca , г/(м2·с) –
1,7 0,056 1167 86 2,07 1,23
1,8 0,056 1102 76 2,35 1,40
1,8 0,061 1197 90 2,15 1,28
2,3 0,066 1010 87 2,40 1,43
2,6 0,085 1155 109 2,48 1,47
2,9 0,080 977 106 2,40 1,43
Середнє значення 2,31 1,37
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 4 99
Вимірювання швидкості окислення вуглецю
з коксозольного залишку гранул з урахуванням
анізотропії властивостей потребує значних ви-
трат зусиль та часу. Гранули біопалив мають не-
рівномірну густину вздовж частки, а тому вирі-
зані тонкі круглі пластини можуть відрізнятися за
густиною та швидкістю окислення. Більш того,
гранули є реологічною системою, яка після пре-
сування знаходиться в нерівноважному стані і
має внутрішні напруження. Вирізання зразка
призводить до його вивільнення від дії сусідніх
шарів гранули, релаксації напружень зі зміною
густини частки. У зв’язку з цим вирізання з гра-
нул тонких поперечних зразків, які мають влас-
тивості цілої гранули, та точне визначення для
них швидкості окислення вуглецю коксового за-
лишку в осьовому напрямку є проблематичним.
Для виконання інженерних розрахунків доці-
льно виконати узагальнення отриманих даних та
отримати спрощені залежності між швидкістю
окислення вуглецю з коксозольного залишку в
осьовому та радіальному напрямках. Базуючись
на викладеному, висунуто припущення, що швид-
кість окислення вуглецю в осьовому напрямку ви-
ща, ніж у радіальному напрямку, пропорційно збі-
льшенню густини гранули у порівнянні з густиною
матеріалу, використаного для її пресування.
dp
ca cr
di
w w k
, (10)
де wcr – швидкість окислення вуглецю коксозо-
льного залишку гранули по радіальному напрям-
ку, кг/(м2·с); wca – швидкість окислення вуглецю
коксозольного залишку гранули по осьовому (по-
здовжньому) напрямку, кг/(м2·с); ρdp – густина
гранули в сухому стані, кг/м3; ρdi – початкова гу-
стина часток біомаси, що використана для пресу-
вання гранул, кг/м3; k – коригувальний множник,
який враховує вид біомаси, використаної для
пресування гранул, та відмінність властивостей
вирізаних досліджених зразків від цілої гранули.
На основі узагальнення наведених експеримента-
льних даних можна рекомендувати k = 0,7 для
деревних гранул та k = 0,6 для солом’яних гра-
нул. При виконанні оціночних розрахунків мож-
на приймати k = 1 для всіх гранул.
Висновки. 1. Висунуто припущення, що при
пресуванні гранул у пресах із циліндричними чи
дисковими матрицями і нажимними роликами
ущільнення матеріалу в осьовому (поздовжньо-
му) напрямку є більш значним, ніж у поперечно-
му (радіальному), що обумовлює анізотропію
властивостей гранули, і внаслідок цього швид-
кість окислення вуглецю коксозольного залишку
циліндричних гранул залежить від напрямку – в
осьовому напрямку є вищою, ніж у радіальному.
2. Запропоновано математичну модель ви-
горяння вуглецю з коксозольного залишку круг-
лої пластини, вирізаної з гранули, і на її основі
отримано залежність для визначення швидкості
окислення вуглецю в осьовому напрямку з ви-
користанням експериментальних даних – напів-
товщини пластини, її маси та тривалості повно-
го вигоряння.
3. Експериментально встановлено, що швид-
кість окислення вуглецю з коксозольного залиш-
ку деревних гранул в осьовому напрямку стано-
вить wca = 3,23 г/(м2·с), що у 1,7-2,0 рази більше,
порівняно з швидкістю вигоряння у радіальному
напрямку для гранул цієї ж партії. Швидкість ви-
горяння вуглецю з коксозольного залишку со-
лом’яних гранул в осьовому напрямку становить:
wca = 2,31-2,52 г/(м2·с), що в 1,4-1,5 разів більше,
порівняно з показником для радіального напрямку.
1. Жовмір М.М. Кінетика термолізу та вигорання час-
ток твердого біопалива. Частина 3. Швидкість вигорання
коксозольного залишку деревних і солом’яних гранул.//
Відновлювана енергетика. – 2016, №4 – С.86–93.
2. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопереда-
ча в химической кинетике. – М.: Наука, 1987. – 502 с.
3. Основы практической теории горения. Под ред. В.В.
Померанцева. Учебное пособие. – Л.: Энергия, 1973. – 264 с.
4. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пы-
ли и расчет пылеугольного факела. – М.: Энергоатомиз-
дат, 1986. – 208 с.
5. Силин В.Е., Рыжков А.Ф., Надир С.М.Ш. Низко-
температурное сжигание биомассы // Экотехнологии и ре-
сурсосбережение. – 2008, №5. – С. 9–15.
6. Nielsen N.P.K., Gardner D.J., Poulsen T., Felby C.
Importance of temperature, moisture content, and species for the
conversion process of wood residues into fuel pellets // Wood
and Fiber Science. – 2009, 41(4). – P. 414–425.
7. Thermal conductivity of wood pellets [Electronic re-
source] / Wendi Guo, C.J.Lim, S. Sokhansanj, X. Bi, S. Melin. –
2016. – 7p. – Mode of access:
[https://www.researchgate.net/publication/266412546_THERM
AL_CONDUCTIVITY_of_WOOD_PELLETS] – Last access:
7.09.2017.
8. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопе-
редача: учебник для вузов. – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 1819-8058
Відновлювана енергетика. 2017. № 4 100
9. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых
тел./Перевод со второго английского издания под редакцией
проф. А. А. Померанцева. – М.: Наука, 1964. – 488 с.
КИНЕТИКА ТЕРМОЛИЗА И ВЫГОРАНИЯ ЧАСТИЦ
ТВЕРДОГО БИОТОПЛИВА. ЧАСТЬ 4. ВЛИЯНИЕ
АНИЗОТРОПИИ ПЕЛЛЕТ НА СКОРОСТЬ ОКИСЛЕ-
НИЯ УГЛЕРОДА ИЗ КОКСОЗОЛЬНОГО ОСТАТКА В
ОСЕВОМ И РАДИАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ
Н.М. Жовмир, канд. техн. наук,
Институт возобновляемой энергетики НАН Украины, 02094,
г.Киев, ул. Гната Хоткевича, 20А,
тел./факс +38-044-206-28-09, e-mail: renewable@ukr.net
ORCID: 0000-0001-6514-7474
Выдвинуто предположение о влиянии анизотропии цилинд-
рических пеллет биотоплива на скорость окисления углеро-
да в осевом и радиальном направлениях. Аналитически полу-
чена зависимость для определения скорости выгорания уг-
лерода из коксозольного остатка пеллет биотоплива в осе-
вом направлении с использованием экспериментальных дан-
ных о размере круглой пластины, ее массы и продолжи-
тельность полного выгорания. Экспериментально опреде-
ленная скорость окисления углерода из коксозольного ос-
татка в осевом направлении выше, чем в радиальном, что
необходимо учитываться при расчете продолжительности
горения пеллет. Библ. 9, табл. 2, рис. 3.
Ключевые слова: твердое биотопливо, гранулы, коксозоль-
ный остаток, углерод, выгорание, скорость, анизотропия
1. Zhovmir M. Kinetics of thermolysis and burning of
solid biofuels particles. Part 3. Burning out rate of cokeash resi-
due of wood and straw pellets // Vidnovliuvana energetyka. –
2016. – № 4. – P. 86–93. (Ukr)
2. Frank-Kamjenjetskij D.A. Diffusion and heat transfer
in chemical kinetics. –M.: Nauka, 1987. – 502 p. (Rus)
3. Basics of practical combustion theory. Edited by V.
V. Pomerantsev. Tutorial. – L.: Energiya, 1973. – 264 p. (Rus)
4. Babij V.I., Kuvajev Ju.F. Burning of coal dust and
coal dust torch calculation. – M.: Energoatomizdat, 1986. –
208p. (Rus)
5. Silin V.E., Ryzhkov A.F., Nadir S.M.Sh. Low tempera-
ture biomass combustion // Ekotechnologii i resursosberezhenije.
– 2008, №5. – P. 9-15. (Rus)
6. Nielsen N.P.K., Gardner D.J., Poulsen T., Felby C.
Importance of temperature, moisture content, and species for the
conversion process of wood residues into fuel pellets // Wood
and Fiber Science. – 2009, 41(4). – P. 414-425.
7. Wendi Guo, Lim C.J., Sokhansanj S., Bi X., Melin S.
Thermal conductivity of wood pellets [Electronic resource] /
2016. - 7p. – Mode of access:
[https://www.researchgate.net/publication/
266412546_THERMAL_CONDUCTIVITY_of_WOOD_PELL
ETS] – Last access: 7.09.2017.
8. Isachenko V.P., Osipova V.A., Sukomel A.S. Heat
transfer: tutorial. – M.: Energoizdat, 1981. – 416 p. (Rus).
9. Carslaw H.S., Jaeger J.C. Conduction of heat in sol-
ids / Translation from second English edition under Professor
A.A. Pomerantsev redacting. – M.: Nauka, 1964. – 448 p. (Rus)
SYNOPSES
In the previous part of paper research on rate of carbon
oxidation from cokeash residue of long wood and straw pellets
with insulated ends were presented. Assuming the rate of carbon
oxidation is the same across surface of cokeash particle durations
of carbon full burnout were calculated for residue of different
length pellets. It was a satisfactory matching of the calculated
and experimental data for long pellets (above 20-25 mm), but for
a shorter ones calculations gave data significantly exceeding
experimental.
Observations on progress of carbon burnout from pellet’s
cokeash residue allowed assume anisotropy on carbon oxidation
rate in axial and radial directions.
Based on analysis of pellet production features in presses
with ring or flat shaped die with rolls it can be supposed more
significant biomass compacting in axial (longitudinal) direction
of pellet than that in transversal (radial) direction.
It is known that the thermal conductivity of porous solids
grows with increase of their density. Due to predominant bio-
mass compressing in axial direction, one can assume that the
density and thermal conductivity of wood pellets in the axial
direction should be higher than in the radial, i.e. biofuel pellet
and cokeash residue formed out of it are anisotropic. Intensifica-
tion of the transfer phenomena in direction of greater material
density can stipulate the increase of carbon oxidization rate in
axial (longitudinal) direction of pellets.
This paper provides results of experimental and analytical–
experimental research on carbon burning out rate from cokeash
residue of wood and straw pellets in axial (longitudinal) direction.
Mathematical model of carbon burning out from cokeash resi-
due formed from thin round plate cut from cylindrical pellet is pro-
posed. Dependence for determining rate of carbon burning out in
axial direction wca is based on experimental data about dimensions
of round plate, its mass and duration of complete burnout:
0 /ca c bw
here: ρc – average carbon density in particle of cokeash
residue; δ0 – semithickness of round plate cut from pellet; b –
duration of carbon complete burnout from round plate of
cokeash residue.
Experiments were carried out at temperature in muffle fur-
nace 700oC and free air access with same lots of pellets as in
previous paper. It was found carbon burning out rate from
cokeash residue of 6 mm wood pellets in axial direction is wca =
3.2 g/(m2s) and is 1.7…2.0 times higher than that in radial direc-
tion, and for cokeash residue of 6mm straw pellets wca =
2.3…2.5 g/(m2s) is 1.4…1.5 times higher than that in radial di-
rection. That should to be taken into account at calculation of
pellets burning duration.
Стаття надійшла до редакції 16.11.17
Остаточна версія 08.12.17
Друкується згідно з рекомендацією Вченої ради Інституту відновлюваної енергетики НАНУ, протокол № 20 від 11.12.17.
Підписано до друку 14.12.2017. Формат 84Ч108/16. Друк – різографія. Умовн.друк.арк. 10,5. Тираж 300 прим.
Зареєстровано 01.09.2004, свідоцтво: серія КВ, № 9115. Ціна договірна.
Віддруковано ТОВ ''НВП ''ІНТЕРСЕРВІС'', м. Київ, вул. Бориспільська, 9.
|
| id | veorgua-article-29 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:02:17Z |
| publishDate | 2017 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/61/892e92c4d7cbccb5734979bcc52eb261.pdf |
| spelling | veorgua-article-292026-07-18T06:32:07Z KINETICS OF THERMOLYSIS AND BURNING OF SOLID BIOFUEL PARTICLES. PART 4. INFLUENCE OF PELLETS ANISOTROPY ON OXIDATION RATE OF CARBON FROM COKEASH RESIDUE IN AXIAL AND RADIAL DIRECTIONS КИНЕТИКА ТЕРМОЛИЗА И ВЫГОРАНИЯ ЧАСТИЦ ТВЕРДОГО БИОТОПЛИВА. ЧАСТЬ 4. ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ ПЕЛЛЕТ НА СКОРОСТЬ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДА ИЗ КОКСО-ЗОЛЬНОГО ОСТАТКА В ОСЕВОМ И РАДИАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ КІНЕТИКА ТЕРМОЛІЗУ ТА ВИГОРАННЯ ЧАСТОК ТВЕРДОГО БІОПАЛИВА. ЧАСТИНА 4. ВПЛИВ АНІЗОТРОПІЇ ГРАНУЛ НА ШВИДКІСТЬ ОКИСЛЕННЯ ВУГЛЕЦЮ З КОКСОЗОЛЬНОГО ЗАЛИШКУ В ОСЬОВОМУ ТА РАДІАЛЬНОМУ НАПРЯМКАХ Zhovmir, M. solid biofuels pellets cokeash residue carbon burning out rate anisotropy тверде біопаливо гранули коксозольний залишок вуглець вигорання швидкість анізотропія твердое биотопливо гранулы коксозольный остаток углерод выгорание скорость анизотропия Висунуто припущення про вплив анізотропії циліндричних гранул біопалива на швидкість окислення вуглецю в осьовому та радіальному напрямках. Аналітично отримана залежність для визначання швидкості вигорання вуглецю з коксозольного залишку гранул біопалива в осьовому напрямку з використанням експериментальних даних про розміри круглої пластини біопалива, її маси та тривалості повного вигорання. Експериментально визначена швидкість окислення вуглецю з коксозольного залишку в осьовому напрямку значно вища ніж у радіальному, що необхідно враховувати при розрахунку тривалості горіння гранул. Выдвинуто предположение о влиянии анизотропии цилиндрических пеллет биотоплива на скорость окисления углерода в осевом и радиальном направлениях. Аналитически получена зависимость для определения скорости выгорания углерода из коксозольного остатка пеллет биотоплива в осевом направлении с использованием экспериментальных данных о размере круглой пластины, ее массы и продолжительность полного выгорания. Экспериментально определенная скорость окисления углерода из коксозольного остатка в осевом направлении выше, чем в радиальном, что необходимо учитываться при расчете продолжительности горения пеллет. In the previous part of paper research on rate of carbon oxidation from cokeash residue of long wood and straw pellets with insulated ends were presented. Assuming the rate of carbon oxidation is the same across surface of cokeash particle durations of carbon full burnout were calculated for residue of different length pellets. It was a satisfactory matching of the calculated and experimental data for long pellets (above 20-25 mm), but for a shorter ones calculations gave data significantly exceeding experimental. Observations on progress of carbon burnout from pellet’s cokeash residue allowed assume anisotropy on carbon oxidation rate in axial and radial directions. Based on analysis of pellet production features in presses with ring or flat shaped die with rolls it can be supposed more significant biomass compacting in axial (longitudinal) direction       of pellet than that in transversal (radial) direction. It is known that the thermal conductivity of porous solids grows with increase of their density. Due to predominant biomass compressing in axial direction, one can assume that the density and thermal conductivity of wood pellets in the axial direction should be higher than in the radial, i.e. biofuel pellet and cokeash residue formed out of it are anisotropic. Intensification of the transfer phenomena in direction of greater material density can stipulate the increase of carbon oxidization rate in axial (longitudinal) direction of pellets. This paper provides results of experimental and analytical–experimental research on carbon burning out rate from cokeash residue of wood and straw pellets in axial (longitudinal) direction. Mathematical model of carbon burning out from cokeash residue formed from thin round plate cut from cylindrical pellet is proposed. Dependence for determining rate of carbon burning out in axial direction wca is based on experimental data about dimensions of round plate, its mass and duration of complete burnout: here:               ρc – average carbon density in particle of cokeash residue; δ0 – semithickness of round plate cut from pellet; tb – duration of carbon complete burnout from round plate of cokeash residue. Experiments were carried out at temperature in muffle furnace 700oC and free air access with same lots of pellets as in previous paper. It was found carbon burning out rate from cokeash residue of 6 mm wood pellets in axial direction is wca = 3.2 g/(m2s) and is 1.7…2.0 times higher than that in radial direction, and for cokeash residue of 6mm straw pellets wca = 2.3…2.5 g/(m2s) is 1.4…1.5 times higher than that in radial direction. That should to be taken into account at calculation of pellets burning duration. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2017-12-14 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/29 Vidnovluvana energetika ; No. 4 (51) (2017): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 93-100 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 4 (51) (2017): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 93-100 Відновлювана енергетика; № 4 (51) (2017): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 93-100 2664-8172 1819-8058 uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/29/21 Copyright (c) 2017 M. Zhovmir https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | solid biofuels pellets cokeash residue carbon burning out rate anisotropy Zhovmir, M. KINETICS OF THERMOLYSIS AND BURNING OF SOLID BIOFUEL PARTICLES. PART 4. INFLUENCE OF PELLETS ANISOTROPY ON OXIDATION RATE OF CARBON FROM COKEASH RESIDUE IN AXIAL AND RADIAL DIRECTIONS |
| title | KINETICS OF THERMOLYSIS AND BURNING OF SOLID BIOFUEL PARTICLES. PART 4. INFLUENCE OF PELLETS ANISOTROPY ON OXIDATION RATE OF CARBON FROM COKEASH RESIDUE IN AXIAL AND RADIAL DIRECTIONS |
| title_alt | КИНЕТИКА ТЕРМОЛИЗА И ВЫГОРАНИЯ ЧАСТИЦ ТВЕРДОГО БИОТОПЛИВА. ЧАСТЬ 4. ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ ПЕЛЛЕТ НА СКОРОСТЬ ОКИСЛЕНИЯ УГЛЕРОДА ИЗ КОКСО-ЗОЛЬНОГО ОСТАТКА В ОСЕВОМ И РАДИАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ КІНЕТИКА ТЕРМОЛІЗУ ТА ВИГОРАННЯ ЧАСТОК ТВЕРДОГО БІОПАЛИВА. ЧАСТИНА 4. ВПЛИВ АНІЗОТРОПІЇ ГРАНУЛ НА ШВИДКІСТЬ ОКИСЛЕННЯ ВУГЛЕЦЮ З КОКСОЗОЛЬНОГО ЗАЛИШКУ В ОСЬОВОМУ ТА РАДІАЛЬНОМУ НАПРЯМКАХ |
| title_full | KINETICS OF THERMOLYSIS AND BURNING OF SOLID BIOFUEL PARTICLES. PART 4. INFLUENCE OF PELLETS ANISOTROPY ON OXIDATION RATE OF CARBON FROM COKEASH RESIDUE IN AXIAL AND RADIAL DIRECTIONS |
| title_fullStr | KINETICS OF THERMOLYSIS AND BURNING OF SOLID BIOFUEL PARTICLES. PART 4. INFLUENCE OF PELLETS ANISOTROPY ON OXIDATION RATE OF CARBON FROM COKEASH RESIDUE IN AXIAL AND RADIAL DIRECTIONS |
| title_full_unstemmed | KINETICS OF THERMOLYSIS AND BURNING OF SOLID BIOFUEL PARTICLES. PART 4. INFLUENCE OF PELLETS ANISOTROPY ON OXIDATION RATE OF CARBON FROM COKEASH RESIDUE IN AXIAL AND RADIAL DIRECTIONS |
| title_short | KINETICS OF THERMOLYSIS AND BURNING OF SOLID BIOFUEL PARTICLES. PART 4. INFLUENCE OF PELLETS ANISOTROPY ON OXIDATION RATE OF CARBON FROM COKEASH RESIDUE IN AXIAL AND RADIAL DIRECTIONS |
| title_sort | kinetics of thermolysis and burning of solid biofuel particles. part 4. influence of pellets anisotropy on oxidation rate of carbon from cokeash residue in axial and radial directions |
| topic | solid biofuels pellets cokeash residue carbon burning out rate anisotropy |
| topic_facet | solid biofuels pellets cokeash residue carbon burning out rate anisotropy тверде біопаливо гранули коксозольний залишок вуглець вигорання швидкість анізотропія твердое биотопливо гранулы коксозольный остаток углерод выгорание скорость анизотропия |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/29 |
| work_keys_str_mv | AT zhovmirm kineticsofthermolysisandburningofsolidbiofuelparticlespart4influenceofpelletsanisotropyonoxidationrateofcarbonfromcokeashresidueinaxialandradialdirections AT zhovmirm kinetikatermolizaivygoraniâčastictverdogobiotoplivačastʹ4vliânieanizotropiipelletnaskorostʹokisleniâuglerodaizkoksozolʹnogoostatkavosevomiradialʹnomnapravlenii AT zhovmirm kínetikatermolízutavigorannâčastoktverdogobíopalivačastina4vplivanízotropíígranulnašvidkístʹokislennâvuglecûzkoksozolʹnogozališkuvosʹovomutaradíalʹnomunaprâmkah |