NUMERICAL STUDIES OF A TWO-STAGE THERMOCHEMICAL BIOMASS PROCESSING IN A FIXED BED PLANT WITH A CAPACITY OF 1250 kg/h
Using the developed models describing the processes of biomass pyrolysis (Bagasse) and gasification of its coke-ash residue, detailed information was obtained on the design characteristics of the reactor, the yield and composition of pyrolysis gases, aerodynamics, heat and mass transfer and the chem...
Saved in:
| Date: | 2023 |
|---|---|
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2023
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/424 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
| Download file: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103681212973056 |
|---|---|
| author | Rokhman, B. Kobzar, S. |
| author_facet | Rokhman, B. Kobzar, S. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "B. Rokhman",
"institution": "Institute of Thermal Energy Technologies of NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine. Institute of Renewable energy of NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine."
},
{
"author": "S. Kobzar",
"institution": "Institute of Thermal Energy Technologies of NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine. Institute of Engineering Thermophysics of NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine."
}
] |
| author_sort | Rokhman, B. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:19Z |
| description | Using the developed models describing the processes of biomass pyrolysis (Bagasse) and gasification of its coke-ash residue, detailed information was obtained on the design characteristics of the reactor, the yield and composition of pyrolysis gases, aerodynamics, heat and mass transfer and the chemical reaction of the gas-dispersed medium. These results were used in the development of two original designs of plants for thermochemical processing of biomass with a Bagasse capacity of 1250 kg/h and 232.3 kg/h (dry weight). In the plant with a high capacity of 1250 kg/h, one pyrolyzer has two gasifiers for the conversion of Bagasse coke-ash particles: an internal gasifier with a capacity of 68 kg/h and an external one with a capacity of 271 kg/h. With a low productivity of 232.3 kg/h, only an external gasifier is installed per pyrolyzer. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2023.3(74).141-152 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
141
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
УДК 532.529: 532.517.4 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2023.3(74)141-152
ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ДВОСТАДІЙНОГО ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ
В УСТАНОВЦІ З ФІКСОВАНИМ ШАРОМ ПРОДУКТИВНІСТЮ 1250 КГ/Ч
Отримано 13 вер. 2023 р.; рекомендовано до публікації 20 вер. 2023 р.
Доступно онлайн 30 вер. 2023 р.
Б. Б. Рохман1, 2, С. Г. Кобзар1,3
Автор для кореспонденції: Болеслав Рохман,
e-mail: brolene@yahoo.com
З використанням побудованих моделей, що описують
процеси піролізу біомаси (Bagasse) та газифікації її кок-
созольного залишку, отримано детальну інформацію
про конструктивні характеристики реактора, вихід і
склад піролізних газів, аеродинаміку, тепломасообмін і
хімічне реагування газодисперсного середовища. Ці ре-
зультати були використані під час розробки двох оригі-
нальних конструкцій установок термохімічної переробки біомаси продуктивністю за Bagasse
1250 кг/год і 232,3 кг/год (на суху масу). В установці з великою продуктивністю, 1250 кг/год, на один
піролізер припадає два газифікатори для конверсії коксозольних частинок Bagasse: внутрішній гази-
фікатор продуктивністю 68 кг/год та зовнішній – 271 кг/год. У разі малої продуктивності,
232,3 кг/год, на один піролізер встановлюється лише зовнішній газифікатор. На відміну від існуючих
установок термохімічної переробки біомаси, тут з реактора виходять два різні за складом та теп-
лотворною здатністю синтетичні гази: низькокалорійний генераторний газ (об'ємні частки) − CO2 =
3,38 %, CO = 32,56 %, H2 = 17,2 %, H2О = 4,29 % та N2 = 42,570 % з теплотворною здатністю
5971 кДж/нм3 і середньокалорійний піролізний газ − CO2 = 11,2 %, CO = 38,56 %, H2 = 26,9 %, C1.16H4 =
22,76 % (70 % CH4+30 % C2H4), C6H6.2O0.2 = 0,31 % та N2 = 0,32 % з калорійністю 17904 кДж/нм3.
Ключові слова: нерухомий шар, біомаса, Bagasse, теплопровідність, пароповітряна газифікація, кон-
дуктивний, радіаційний, теплообмін, газ, температура.
NUMERICAL STUDIES OF A TWO-STAGE THERMOCHEMICAL BIOMASS PROCESSING
IN A FIXED BED PLANT WITH A CAPACITY OF 1250 kg/h
Received Sept. 13, 2023; accepted Sept. 20, 2023
Available online Sept. 30, 2023
B. Rokhman1, 2, S. Kobzar1, 3
Author for correspondence: Boleslav Rokhman,
e-mail: brolene@yahoo.com
Using the developed models describing the processes of
biomass pyrolysis (Bagasse) and gasification of its coke-ash
residue, detailed information was obtained on the design
characteristics of the reactor, the yield and composition of
pyrolysis gases, aerodynamics, heat and mass transfer and
the chemical reaction of the gas-dispersed medium. These
results were used in the development of two original designs of plants for thermochemical processing of
biomass with a Bagasse capacity of 1250 kg/h and 232.3 kg/h (dry weight). In the plant with a high capacity of
1250 kg/h, one pyrolyzer has two gasifiers for the conversion of Bagasse coke-ash particles: an internal gasifier
1 д-р техн. наук.
https://orcid.org/0000-0002-1270-6102
2 канд. техн.наук.
https://orcid.org/ 0000-0002-8615-4400
1 Інститут теплоенергетичних технологій НАН
України, м. Київ, Україна.
2 Інститут відновлюваної енергетики НАН Ук-
раїни, м. Київ, Україна.
3 Інститут технічної теплофізики НАН України,
м. Київ, Україна.
1 Dr. of Tech. Sciences, leading researcher.
https://orcid.org/0000-0002-1270-6102
2 Ph.D. (Engineering), leading researcher.
https://orcid.org/ 0000-0002-8615-4400
1 Institute of Thermal Energy Technologies of
NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine.
2 Institute of Renewable energy of NAS of Ukraine,
Kyiv, Ukraine.
3 Institute of Engineering Thermophysics of NAS of
Ukraine, Kyiv, Ukraine.
142
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
with a capacity of 68 kg/h and an external one with a capacity of 271 kg/h. With a low productivity of
232.3 kg/h, only an external gasifier is installed per pyrolyzer. Unlike existing plants for thermochemical
processing of biomass, here at the exit from the reactor two synthetic gases of different composition and
calorific value are obtained: low-calorie generator gas (volume fractions) − CO2 = 3.38 %, CO = 32.56 %, H2 =
17.2 %, H2О = 4.29 % and N2 = 42.570 % with a calorific value of 5971 kJ/Nm3 and medium-calorie pyrolysis
gas − CO2 = 11.2 %, CO = 38.56 %, H2 = 26.9 %, C1.16H4 = 22.76 % (70 % CH4+30 % C2H4), C6H6.2O0.2 = 0.31 % and
N2 = 0.32 % with a calorific value of 17904 kJ/ Nm3.
Key words: fixed bed, biomass, Bagasse, thermal conductivity, steam-air gasification, conductive, radiation,
heat transfer, gas, temperature.
Перелік використаних позначень та скорочень
A, C, H, N, O, S, V і W – масові частки золи, вуглецю, во-
дню, азоту, кисню, сірки, летких речовин та вологи у твер-
дому паливі;
B – витрата, кг/с;
c – теплоємність, кДж/(кг·K); C6H6.2O0.2 – формула смоли;
D – діаметр зовнішньої труби, м;
1/2τ
339.0
+
=rD , 1/2τ
339.0
+
=rD – прогоночні коефіцієнти, кДж/(с·м3);
d – діаметр внутрішньої труби, м;
H – висота, м; I – сила току, А;
M – маса, кг;
P – тиск, Н/м2;
Q – калорійність газу, кДж(ккал)/нм3 або тепловий потік
на стінку газифікатора, кДж/(с·м2);
q – зовнішній тепловий потік за рахунок електрона-
гріву, кДж/(с·м2); q4 – механічний недопал;
R – об’ємна частка компонента газової суміші;
r – радіальна координата, м;
t – температура, °С;
u – швидкість, м/с;
U – напруга, В;
z – аксіальна координата, м;
α – коефіцієнт теплообміну, кДж/(с·м2·К);
δ – діаметр частинки, м;
ε – порізність шару;
ρ – щільність, кг/м3;
τ – час, с;
∆τ – крок за часом, с;
∆ – проміжок, мм.
Індекси:
ash – зола;
bed – шар;
cond – кондуктивний;
d – суха маса;
g – газ;
e – зовнішній;
H2O+air – пароповітряна суміш;
min – мінімальний;
max – максимальний;
mas – маса;
p – частинка;
p→w – тепловіддача від частинок шару до стінки;
rad – променистий;
r – робочий;
sin – синтетичний газ;
volat – леткий;
w – стінка;
пір – піролізер;
сек – сектор;
спір – спіраль;
0 – початкове значення параметра;
I−III – варіанти розрахунку;
1, 2 – первинний та вторинний піролізні гази.
Сучасний стан проблеми. Війна з росією показала враз-
ливість української централізованої системи постачання
електричної й теплової енергії з використанням теплое-
лектроцентралей (ТЕЦ). Перехід до децентралізованої
системи подачі цих видів енергії шляхом будівництва
поблизу об’єктів споживання енергії малих теплоелект-
ростанцій (міні-ТЕС), призначених для комбінованого
виробництва електрики й тепла (когенерації) може зро-
бити енергосистему більш надійною та економічною.
Переваги від використання систем когенерації для ене-
ргопостачання об’єктів багатогранні:
− малі втрати при транспортуванні теплової та елект-
ричної енергії порівняно з централізованими систе-
мами;
− автономність функціонування та, як наслідок, на-
дійне й безперебійне енергопостачання;
− когенерація в Україні порівняно з купівлею електро-
енергії із загальної енергомережі забезпечує еконо-
мію коштів на енергоресурси до 40 %;
− електричний ККД газифікаційної когенераційної сис-
теми становить приблизно 23 % у теплофікаційному
режимі, а ККД паротурбінних установок у діапазоні
0,3–1,5 МВт – 8–18 %;
− вартість енергії власної міні-ТЕЦ нижча за тарифи на
40–60 %, що дозволяє станції окупатися за 2–4 роки;
− економія енергії палива під час використання єдиної
когенераційної системи становитиме близько 40 %;
143
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
− власник міні-ТЕС зазвичай має в 3-4 рази дешевшу
електроенергію та в 1,5–2 рази теплоту, ніж за тари-
фами традиційних монополістів.
Діючих установок у світі не так уже й багато. У Західній
Європі та Північній Америці понад 300 установок пере-
бувають у комерційній експлуатації. Міні-ТЕЦ на базі ко-
генераційних газифікаційних установок, зібраних у кла-
стери по 10–20 штук у ряд і більше, дають змогу конфі-
гурувати прості енергетичні об’єкти, що легко зводяться
й працюють на паливній трісці. Через високі екологічні
показники та низький рівень шуму установки застосову-
ються не тільки на деревообробних і лісозаготівельних
підприємствах, а також забезпечують енергією сільсько-
господарські об’єкти, готелі, СПА-центри, офісні будівлі,
склади й логістичні об’єкти.
Основними елементами обладнання Міні-ТЕЦ є газоге-
нератор та газопоршневий двигун внутрішнього зго-
ряння. Головною вимогою при використанні генератор-
ного газу в двигунах є мінімальна кількість смолистих
речовин, вміст яких не повинен перевищувати 10–
100 мг/нм3. Цього можна досягти при конструктивному
поділі в газогенераторі двох процесів: піролізу та пода-
льшої газифікації коксозольних частинок.
У цій роботі пропонується оригінальний спосіб термохі-
мічної переробки біомаси (Bagasse), головною відмінні-
стю якого від існуючих установок [1–5] є те, що з устано-
вки виходять два різні за калорійністю та складом син-
тетичних гази: низькокалорійний з теплотворною здат-
ністю 1296–1430 ккал/нм3 та середньокалорійний піро-
лізний газ − 4000–4300 ккал/нм3 з низьким вмістом
смол. Передбачається використання низькокалорійного
синтетичного газу, отриманого при газифікації коксо-
зольного залишку, на міні-ТЕЦ шляхом подачі в камеру
згоряння поршневого двигуна.
Середньокалорійний піролізний газ використовується для:
− підігріву мережевої води;
− підмішування до природного газу або рідкого па-
лива в котельнях, розміщених поблизу міні-ТЕЦ, при
подачі газу до водогрійних котлів, розташованих у
житлових приміщеннях. Це дозволяє частково витіс-
нити природний газ із малої енергетики, на відміну
від існуючих установок;
− за рахунок підвищення температури в піролізері по-
над 600 °C вдається досягти практично повного кре-
кінгу смоли, що підвищує вихід піролізного газу.
До газифікатора надходить коксозольний залишок без
смоли, тому низькокалорійний синтетичний газ практи-
чно не містить смолистих сполук. Низький вміст смоли у
зазначених газах задовольняє основну вимогу при вико-
ристанні їх у поршневих двигунах – вміст смолистих ре-
човин не повинен перевищувати 10–100 мг/нм3 [6, 7].
Пропонований спосіб термохімічної переробки твер-
дого палива є універсальним для багатьох видів біо-
маси. Як приклад розглянемо технологію термохімічної
переробки біомаси сорту Bagasse.
Опис технології термохімічної переробки біомаси. На
рис. 1 наведено два варіанти технології термохімічної
переробки Bagasse, елементарний склад якої представ-
лений у табл.
Таблиця. Елементарний склад Bagasse
Table. Elemental composition of Bagasse
Марка біомаси Cd
%
Hd
%
Nd
%
Od
%
Sd
%
Vd
%
Ad
%
Wr
%
Bagasse 46,6 6,125 0,395 45,65 0,0001 71,729 1,2 5,1
Розглянемо варіант a установки продуктивністю за су-
хою біомасою 1250 кг/год (рис. 1, a). У складі установки
є піролізер 29, розташований у проміжку товщиною ∆ =
(D – d)/2 між огороджувальною трубою діаметром D =
678 мм та внутрішньою трубою, встановленою в центрі
реторти діаметром d = 598 мм. Висота піролізера Hпір =
1 м. Обидві труби виготовлені з аустенітно-феритної жа-
роміцної сталі X20H14C2 (робоча температура до
1150 °С). Процес піролізу біомаси має циклічний харак-
тер. Паливо з бункера пелет 19 за допомогою живиль-
ника 20 подається в шнек 18, після чого направляється в
піролізер. Протягом τ = 64 с мінімальна температура
шару досягає tp,min = 672 °С, що свідчить про практично
повне завершення процесу крекінгу смоли та вихід ле-
тючих речовин у кількості Bvolat = 896,6 кг/год. При цьому
маса шару зменшується з Mпір0 = 33,670 кг (на суху масу)
до Mпір = 9,5 кг. Далі коксозольний залишок у кількості
9,5 кг протягом 33 с залишає піролізер (up = 0,03 м/с).
Отже, повний час циклу дорівнюватиме 97 с. Після піро-
лізера коксозольні частинки надходять по переливному
коробу 32 у проміжний бункер 13, а потім розподіля-
ються по двох газифікаторах: внутрішньому 30 − проду-
ктивністю Bp = 68 кг/год, Hbed = 1 м і d = 598 мм і зовніш-
ньому 35 − Bp = 271 кг/год, Hbed = 2,552 м та D = 1158 мм.
На початку розпалювання установки в газифікаторі 30
формується нерухомий шар з попередньо напрацьова-
них коксозольних частинок Bagasse, після чого відбува-
ється його прогрів високотемпературною газовою сумі-
шшю tg = 1000−1300 °С (O2 ≤ 5 %), що подається під ре-
шітку 28, та електронагрівом за рахунок пропуску
струму крізь ніхромовий дріт 34, розташований на пове-
рхні внутрішнього газифікатора 30. Після досягнення те-
мператури займання (tp ≥ 600 °С) частинок, що перебу-
вають у вузькій області поруч з решіткою, теплоносій
відключається і замість нього під решітку вводиться па-
роповітряна суміш 23 з температурою airOH2 +t = 330 °С, і
починається засипка в піролізер 29 висушених пелет
Bagasse еквівалентного розміру δ0 = 15 мм.
144
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
Рис. 1. Схеми промислових установок термохімічної переробки біомаси:
a – установки великої продуктивності; b − малої продуктивності; 1 − газгольдер; 2 – манометр; 3 − регулюва-
льний клапан; 4 − засувка; 5 − димосос рециркуляції піролізних газів; 6 – теплообмінник; 7, 37 − циклон; 8 − бункер
дрібних частинок біомаси; 9 − труба для відведення піролізного газу; 10 − внутрішня труба для відведення низь-
кокалорійного синтетичного газу (a) або мигалка (b); 11 − огороджувальний циліндр з обмоткою ніхромового
дроту; 12 − внутрішній циліндр з обмоткою ніхромового дроту (внутрішній газифікатор коксозольного
145
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
залишку) (a) або переливна труба з обмоткою ніхромового дроту для коксозольного залишку (b); 13 − бункер
коксозольного залишку (a) або лінія транспорту коксозольного залишку з-під циклону в зовнішній газифікатор
(b); 14 – теплоносій; 15 – електропідігрівач піролізних газів; 16 − середньокалорійний рециркулюючий піролізний
газ; 17 − лійка; 18 − шнек; 19 − бункер пелет; 20 − живильник; 21 − подача повітря; 22 − подача пари; 23 − паропо-
вітряний змішувач; 24 − бункер золи; 25 – злив золи; 26 – неочищений піролізний газ; 27 – неочищений синтети-
чний газ; 28 − решітка; 29 − нерухомий шар піролізера; 30 − нерухомий шар внутрішнього газифікатора; 31 −
запірна арматура; 32 − короб для переливу частинок (a) або лінія транспортування дрібних частинок біомаси з
бункера до циклону для піролізу (b); 33 − металева поверхня, що огороджує ніхромовий дріт; 34 − ніхромовий
дріт; 35 − зовнішній газифікатор коксозольного залишку; 36 – накопичувальний бункер дрібних коксозольних ча-
стинок; 38 − лінія транспорту в накопичувальний бункер 36
Fig. 1. Schemes of industrial plants for thermochemical processing of biomass:
a – high capacity plants; b – low capacity plants; 1 – gas tank; 2 – pressure gauge; 3 – control valve; 4 – valve; 5 – smoke
exhauster for recirculation of pyrolysis gases; 6 – heat exchanger; 7,37 – cyclone; 8 – hopper for small biomass particles;
9 – pipe for removing pyrolysis gas; 10 – internal pipe for removing low-calorie synthetic gas (a) or flasher (b); 11 –
enclosing cylinder with nichrome wire winding; 12 – inner cylinder with nichrome wire winding (internal gasifier of coke
ash residue) (a) or overflow pipe with nichrome wire winding for coke ash residue (b); 13 – coke ash residue bunker (a) or
coke ash residue transport line from under the cyclone to the external gasifier (b); 14 – coolant; 15 – electric heater of
pyrolysis gases; 16 – medium-calorie recirculating pyrolysis gas; 17 – watering can; 18 – screw; 19 – pellet hopper; 20 –
feeder; 21 – air supply; 22 – steam supply; 23 − steam-air mixer; 24 – ash bunker; 25 – ash drain; 26 – unpurified pyrolysis
gas; 27 – unpurified synthetic gas; 28 – grate; 29 – fixed bed of pyrolyzer; 30 – fixed bed of internal gasifier; 31 – shut-off
valves; 32 – box for overflowing particles (a) or line for transporting small particles of biomass from the hopper to the
cyclone for pyrolysis (b); 33 – pipe enclosing nichrome wire; 34 – nichrome wire; 35 – external gasifier of coke ash residue;
36 – storage hopper for small coke-ash particles; 38 − transport line to storage hopper 36
Так само відбувається прогрівання шару коксозольних
частинок Bagasse у зовнішньому газифікаторі 35, але без
використання електронагрівачів. Процес піролізу про-
ходить під впливом двох зовнішніх джерел теплової
енергії шляхом електронагріву зовнішніх поверхонь ого-
роджувальних циліндрів 11 і 12. Для цього крізь ніхро-
мові дроти 34 діаметром 4 мм (циліндр 11) і 5 мм (ци-
ліндр 12) пропускають струм під напругою U = 380 В.
Електронагрівач, встановлений на трубі 11, складається
з 5 секцій висотою Hсек = 200 мм і довжиною спіралі
Hспір = 29,70 м. Для запобігання контакту спіралі з пеле-
тами біомаси в піролізері 29 передбачено огороджу-
вальну металеву поверхню 33. Для організації швидкого
піролізу необхідно в початковий момент часу τ = 4 с під-
вести до поверхонь циліндрів 11 і 12 тепловий потік, рі-
вний qw,e(τ = 4 c) = 127,454 кДж/(с∙м2). Тому в кожну сек-
цію електронагрівача подається напруга U = 380 В і сила
струму I = 143 А (циліндр 11) і I = 158 А (циліндр 12). Для
запобігання перегріву труб та утримання температури
на рівні 800−850 °С необхідно регулювати теплові по-
токи, що проходять через поверхні циліндрів qw,e(τ)
(шляхом зниження значення I) згідно з такими залежно-
стями (рис. 2, a):
для зовнішнього циліндра 11
)(
2
τ
)ε1(ρ
339.0339.0
τ
339.0
τ
339.0p1/2τ
339.0p
1/2τ
339.0
1τ
339.0 rrr
rr
rr
r rr
tc
D
q ∆−==
==+
=
+
=
+
= −
∆
−−
= , (1)
для вбудованого циліндра 12
)(
2
τ
)ε1(ρ
299.0299.0
τ
299.0
τ
299.0p1/2τ
299.0p
1/2τ
299.0
1τ
299.0 =∆+=
==+
=
+
=
+
= −
∆
−−
= rrr
rr
rr
r rr
tc
D
q . (2)
З виразу (1) випливає, що зі зростанням значення температури стінки τ
339.0=rt на попередньому етапі інтегрування
рівняння теплової енергії частинок тепловий потік 1τ
339.0
+
=rq зменшується з часом, що підтверджується кривою 1 на
рис. 2, a. З піролізера 29 (рис. 1, а) виходить середньокалорійний піролізний газ такого складу (в об’ємних частках):
CO2 = 9 %, CO = 31 %, H2 = 21,6 %, H2О = 19,6 %, C1.16H4 = 18,3 %, C6H6.2O0.2 = 0,246 % і N2 = 0,258 % (рис. 2, b).
146
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
Рис. 2. Розподіл зовнішніх теплових потоків, що надходять у шар крізь поверхні нагріву огороджувального і
вбудованого циліндрів (a), та об’ємних часток компонентів змішаного піролізного газу на виході з піролізера
(b) залежно від часу: 1 – тепловий потік, що падає на поверхню зовнішньої труби; 2 – тепловий потік, що па-
дає на поверхню внутрішньої труби; 3 – CO; 4 – H2; 5 – H2О; 6 – C1.16H4; 7 – CO2; 8 – C6H6.2O0.2; 9 – N2
Fig. 2. Distribution of external heat flows entering the bed through the heating surfaces of the enclosing and built-in cylinders
(a), and volume fractions of the mixed pyrolysis gas components at the outlet of the pyrolyzer (b) depending on time: 1 – heat
flow incident on the surface of the outer pipe; 2 – heat flow incident on the surface of the inner pipe; 3 – CO; 4 – H2; 5 –
H2О; 6 – C1.16H4; 7 – CO2; 8 – C6H6.2O0.2; 9 – N2
Для підвищення швидкості прогріву шару в установці
передбачена лінія рециркуляції середньокалорійного
піролізного газу 16. Піролізний газ під надлишковим ти-
ском виходить з газгольдера 1 і направляється в тепло-
обмінник 6, де отримує тепло від теплоносія 14, після
чого догрівається до температури 800 °С в електронагрі-
вачі 15, а потім подається в піролізер 29. Піролізний газ
виходить з установки через трубу 9 і направляється для
очищення від пилу в циклон 7, а потім в теплообмінник
6, де відбувається конденсація H2О, після чого димосос
рециркуляції 5 заганяється в газгольдер 1. Склад серед-
ньокалорійного піролізного газу, що надходить у газго-
льдер, такий: CO2 = 11,2 %, CO = 38,56 %, H2 = 26,9 %,
C1.16H4 = 22,76 % (70 % CH4+30 % C2H4), C6H6.2O0.2 = 0,31 %
и N2 = 0,32 %, а його калорійність − 17904 кДж/нм3. Цей
газ містить малу кількість N2 та H2S і має високу тепло-
творну здатність, тому його можна використовувати для
підмішування до природного газу або рідкого палива в
котельнях і при подачі газу у водогрійні котли, встанов-
лені в житлових приміщеннях. У газифікаторах 30 і 35
відбувається конверсія вуглецю в пароповітряному се-
редовищі (O2,mas = 0,16, N2,mas = 0,54 і H2Оmas = 0,3), внаслі-
док чого на виході з газифікаторів ми маємо такий склад
синтетичного газу: CO2 = 5,070 %, CO = 27,1 %, H2 =
18,5 %, H2О = 12,9 % и N2 = 36,43 % з теплотворною здат-
ністю 5425,74 кДж/нм3. Неочищений синтетичний газ
через трубу 10 надходить у циклон 7, після чого пода-
ється в теплообмінник 6, де відбувається конденсація
H2О і теплотворна здатність газу підвищується, потім ди-
мососом рециркуляції 5 спрямовується в газгольдер 1.
Отриманий низькокалорійний синтетичний газ з тепло-
творною здатністю 1296 ккал/нм3 не містить смол і
може бути використаний на міні-ТЕЦ шляхом подачі
його до камери згоряння поршневого двигуна.
У цій установці передбачено піроліз дрібних частинок
біомаси. Для цього дрібні частинки біомаси з вихідного
бункера 8 надходять у циклон 37, де відбувається вихід
летких з частинок Bagasse у високотемпературному се-
редовищі піролізного газу 16. Якщо температури піро-
лізного газу 800 °С виявиться недостатньо для організа-
ції процесу піролізу, необхідно використовувати елект-
ричний підігрівач 15.
Установка, наведена на рис. 1, b, призначена для неве-
ликої продуктивності з біомаси (варіант b). Установка
складається з піролізера 29, розташованого між зовніш-
ньою D = 160 мм та вбудованою d = 80 мм трубами. Ви-
сота піролізера Hпір = 1 м. Обидві труби виготовлені зі
сталі X20H14C2. Продуктивність установки за біомасою
(Bagasse) дорівнює 232,3 кг/год (на суху масу). Витрата
коксозольних частинок Bagasse у газифікаторі 35 стано-
вить 63 кг/год. На відміну від варіанта a, у варіанті b не-
має внутрішнього газифікатора, оскільки діаметр газифі-
катора малий d = 80 мм та його продуктивність за коксо-
зольним залишком не перевищує 1,5 −3 кг/год. Тому
внутрішній циліндр 12 використовується як переливна
труба, що дозволяє транспортувати коксозольний зали-
шок з піролізера 29 у зовнішній газифікатор 35.
Постановка задачі. Результати розрахунків процесів
аеродинаміки, тепломасообміну та хімічного реагу-
вання в піролізері та газифікаторах отримані з викорис-
танням моделей, описаних в [8−10]. Початкові умови
для піролізера: Hbed = 1 м, δ0 = 15 мм, ε = 0,477, ρp0 =
806,6 кг/м3 (на суху масу), tp0 = 30 °С. Граничні умови для
рівняння теплової енергії на поверхнях огороджуваль-
ного та внутрішнього циліндрів задавалися у вигляді те-
плових потоків (умови третього роду), що забезпечують
температуру стінок труб, відповідно: при D = 678 мм − tw
147
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
= 850 °С і при d = 598 мм − tw = 800 °С. Початкові умови
для газифікаторів:
− варіант I (внутрішній газифікатор):
d = 598 мм, Hbed = 1 м, δ0 = 15 мм, ε = 0,477,
ρp0 = 228 кг/м3, Bp = 68 кг/год, O2,mas = 0,16,
N2,mas = 0,54 і H2Omas = 0,3, tp0 = 30−100 °С,
tw = 800 °С, OH2
B = 63 кг/год,
2OB = 33,5 кг/год
і
2NB = 113 кг/год, airOH2 +t = 330 °С, Pg = 1 атм;
− варіант II (внутрішній газифікатор):
O2,mas = 0,184, N2,mas = 0,616 і H2Omas = 0,2,
2OB = 40,2 кг/год,
2NB = 134,6 кг/год
і OH2
B = 44 кг/год. Інші параметри ті самі, що у варі-
анті I;
− варіант III (зовнішній газифікатор):
D = 1158 мм, Hbed = 2,552 м, δ0 = 15 мм,
ε = 0,477, ρp0 = 228 кг/м3, Bp = 271 кг/год,
O2,mas = 0,16, N2,mas = 0,54 і H2Omas = 0,3,
tp0 = 30−100 °С, OH2
B = 235,70 кг/год,
2OB = 125,71 кг/год і
2NB = 424,26 кг/год,
airOH2 +t = 330 °С, Pg = 1 атм. Гранична умова рівняння
теплової енергії коксозольного залишку − tp(z = Hbed)
= 700 °С. Елементарний склад Bagasse для всіх варіа-
нтів наведено в табл.
Аналіз результатів розрахунку процесу піролізу. Склад
змішаного піролізного газу на виході з піролізера, пред-
ставлений на рис. 2, b: CO2 = 9 %, CO = 31 %, H2 = 21,6 %,
H2О = 19,6 %, C1.16H4 = 18,3 %, C6H6.2O0.2 = 0,246 % і N2 =
0,258 %, відрізняється від складу змішаного піролізного
газу, що виходить з елементарних об’ємів піролізера
Hbedrdr при високих температурах: CO2 = 5,11 %, CO =
36,81 %, H2 = 11,14 %, H2О = 28,370 %, C1.16H4 = 16,98 %,
C6H6.2O0.2 = 1,59 % (рис. 3, a−g). Така розбіжність
пов’язана з тим, що у змішаному піролізному газі на ви-
ході з піролізера є газові компоненти, отримані при
низьких температурах. З рис 3, a−g видно, що в кож-
ному елементарному об’ємі реактора Hbedrdr склад ком-
понентів змішаного газу, що виділився в даному часо-
вому інтервалі ∆τ відрізняється від складу компонентів
газу попереднього елементарного об’єму, що пов’язано
з нерівномірним розподілом температур по перерізу
реторти (рис. 3, h)
Рис. 3. Розподіл об’ємних часток компонентів змішаного піролізного газу (первинного + вторинного) H2 (a), H2О
(b), CO2 (c), CO (d), C1.16H4 (e), N2 (f), C6H6.2O0.2 (g) і температури частинок Bagasse (h) за перерізом нерухомого
шару залежно від часу, с: 1 – 20; 2 – 40; 3 – 48; 4 – 56; 5 – 60; 6 – 64
Fig. 3. Volume fractions distribution of mixed pyrolysis gas components (primary + secondary) H2 (a), H2О (b), CO2 (c), CO
(d), C1.16H4 (e), N2 (f), C6H6.2O0.2 (g) and Bagasse particle temperatures (h) along the cross section of the fixed bed
depending on time, s: 1 – 20; 2 – 40; 3 – 48; 4 – 56; 5 – 60; 6 – 64
148
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
На виході з реактора після змішування газових пото-
ків, що виділилися з різних елементарних обсягів пі-
ролізера, виходить якийсь середній склад піролізного
газу, який слабо змінюється з часом (на суху масу):
CO2 = 11,2 %, CO = 38,56 %, H2 = 26,9 %, C1.16H4 = 22,76 %
(70 % CH4+30 % C2H4) , C6H6.2O0.2 = 0,31 % і N2 = 0,32 %
(рис. 2, b). Цей газ отриманий в результаті швидкого
піролізу, оскільки швидкість прогріву шару становить
713,4 °С/хв (розрахунок швидкості прогріву шару про-
водився за середньою температурою частинок в інте-
рвалі 672 < tp < 850 °С при τ = 64 с; крива 6 на рис. 3, h).
З урахуванням рециркуляції піролізних газів швид-
кість прогрівання шару може бути підвищена на 24–
50 %, тобто до 885–1070 °С/хв. В [11] наведено експе-
риментальні дані щодо швидкого піролізу Bagasse
при температурі 800 °С: CO2 = 13,2 %, CO = 40,1 %,
H2 = 30 %, CH4 + CmHn = 16,3 % (індекси n, m = 1, 2, 3, 4 …).
Звідси випливає, що результати розрахунків задові-
льно узгоджуються з експериментальними значен-
нями, наведеними в [11].
На відміну від [8], де використовується одностороннє пі-
дведення теплової енергії, тут застосовується двосто-
роннє підведення енергії через зовнішні поверхні ого-
роджувальної D = 678 мм і вбудованої d = 598 мм труб.
Тому продукти піролізу виділяються, як у приосевій зоні,
так і у пристінкових областях (рис. 4). Функції витрат га-
зових компонентів мають дзвоноподібні профілі, які ро-
зташовуються локально за перерізом піролізера у
вузькому діапазоні ∆rj = rj+1−rj. На відміну від [8], де з ча-
сом відбувається зміщення профілів витрат до осі рето-
рти, тут зміщення дзвоноподібних профілів здійсню-
ється назустріч один одному. Крім того, поля витрат
компонентів первинного та вторинного піролізних газів
виходять рівномірнішими (рис. 4), ніж у [8].
Аналіз чисельних досліджень конверсії коксозоль-
ного залишку. Як зазначалося раніше, на початку ро-
зпалювання установки в газифікаторах 30 і 35
(рис. 1, a) формується шар з коксозольних частинок
Bagasse, після чого здійснюється його прогрів високо-
температурними димовими газами, внаслідок чого
температура шару починає зростати, про що свідчать
криві 1–5 на рис. 5, a. З рис. 5, a видно, що тепловий
фронт рухається згори донизу назустріч потоку димо-
вих газів, що подаються під решітку 28 (рис. 1, a). Це
пов’язано з граничною умовою рівняння теплової
енергії коксозольного залишку − tp(z = Hbed) = 700 °С. У
часовому діапазоні 4800–5400 с температура части-
нок у придонній зоні досягає значення tp ≥ 600 °С, пі-
сля чого відбувається відключення подачі димових га-
зів і введення під решітку пароповітряної суміші 23,
що свідчить про початок процесу конверсії коксозоль-
ного залишку в газифікаторах 30 і 35. З цієї причині
відбувається різке зростання температури частинок
до максимального значення tp,maxI = 1000 °С, tp,maxII =
1175 °С і tp,maxIII = 1008 °С в придонній зоні (крива 6 на
рис. 5, a; крива 2 на рис. 6, а, крива 1 на рис. 6, e).
Рис. 4. Розподіл витрат компонентів первинного (a–e) та вторинного (f–j) піролізних газів H2 (a, f), H2О (b,
g), CO2 (c, h), CO (d, i), C1.16H4 (e, j) за перерізом нерухомого шару залежно від часу, с: 1 – 20; 2 – 40; 3 – 48;
4 – 56; 5 – 60
Fig. 4. Flow rates distribution of the components of primary (a–e) and secondary (f–j) pyrolysis gases H2 (a, f), H2О (b, g),
CO2 (c, h), CO (d, i), C1.16H4 (e, j) over the cross section of a fixed bed depending on time, s: 1 – 20; 2 – 40; 3 – 48; 4 – 56;
5 – 60.
149
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
Рис. 5. Розподіл температур коксозольних частинок Bagasse (a) та механічного недопалу (b) за висотою зовні-
шнього газифікатора для варіанта III залежно від часу, с: 1 – 600; 2 – 1200; 3 – 2400; 4 – 3000; 5 – 4200; 6 – 5400;
7 – 6600; 8 – 7800; 9 – 9000; 10 – 10 200; 11 – 12 000; 12 – 14 400; 13 – 16 800; 14 – 18 000; 15 – 19 200
Fig. 5. Temperature distribution of Bagasse coke-ash particles (a) and mechanical underburning (b) along the height of
the external gasifier for option III depending on time, s: 1 – 600; 2 – 1200; 3 – 2400; 4 – 3000; 5 – 4200; 6 – 5400; 7 –
6600; 8 – 7800; 9 – 9000; 10 – 10 200; 11 – 12 000; 12 – 14 400; 13 – 16 800; 14 – 18 000; 15 – 19 200
Рис. 6. Розподіл температур коксозольних частинок Bagasse (a, e), калорійності синтетичного газу (b, f), теп-
лового потоку на стінку (c, g) та механічного недопалу (d, h) за висотою газифікатора для варіантів I (a–d) і II
(e–h) залежно від часу, с: 1 – 2400; 2 – 3000; 3 – 4200; 4 – 5400; 5 – 6000; 6 – 6600; 7 – 7800; 8 – 9000; 9 – 10 200
Fig. 6. Temperature distribution of Bagasse coke-ash particles (a, e), calorific value of synthetic gas (b, f), heat flow to the
wall (c, g) and mechanical underburning (d, h) along the height of the gasifier for options I (a−d) and II (e−h) depending
on time, s: 1 – 2400; 2 – 3000; 3 – 4200; 4 – 5400; 5 – 6000; 6 – 6600; 7 – 7800; 8 – 9000; 9 – 10 200
У міру вигоряння шару максимум функції tp(τ, z) починає
зрушуватися вгору, формуючи в нижній частині газифі-
катора шлакову подушку, що складається із золових ча-
стинок діаметром δash = 5,23 мм, з механічним недопа-
лом q4 = 0 (рис. 5, b; рис. 6, d, h). Інтенсивна конверсія
коксозольного залишку відбувається в окислювальній,
окислювально-відновній та відновній зонах реагування
газифікаторів. Тут спостерігається зменшення діаметра
частинок з 15 до 5,23 мм за рахунок гетерогенних реак-
цій C+O2=CO2, C+0,5O =CO, C+СO2=2CO та C+H2O=CO+H2
та зниження швидкості частинок від -0,0006 до -2,55∙10-
5 м/с (рис. 7).
150
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
Рис. 7. Розподіл діаметра коксозольних частинок Bagasse (a) та їх швидкості (b) за висотою газифікатора для
варіанту I залежно від часу, с: 1 – 3000; 2 – 4200; 3 – 5400; 4 – 6000; 5 – 6600; 6 – 7800; 7 – 9000
Fig. 7. Diameter distribution of Bagasse coke-ash particles (a) and their speed (b) along the height of the gasifier for
option I depending on time, s: 1 – 3000; 2 – 4200; 3 – 5400; 4 – 6000; 5 – 6600; 6 – 7800; 7 – 9000
У варіантах I і III з газифікаторів 30 і 35 (рис. 1, a) вихо-
дить неочищений синтетичний газ такого складу
(об’ємні частки): CO2 = 5,070 %, CO = 27,1 %, H2 = 18,5 %,
H2О = 12,9 % та N2 = 36,43 % з теплотворною здатністю
5425,74 кДж/нм3 (рис. 6, b; рис. 8). У цьому газі багато
H2О = 12,9 %. На вхід у газифікатори 30 і 35 подавалося
H2О = 40,68 % (об’ємна частка), а з них прореагувало
лише 68 %. Для зменшення вмісту H2О в синтетичному
газі та підвищення його калорійності з урахуванням
того, що золи в коксозольному залишку лише 4 %, були
проведені розрахунки при H2О = 28,58 % (варіант II).
З рис. 6, a, b, e, f випливає, що у варианті II максимальна
температура частинок і теплотворна здатність синтетич-
ного газу підвищилася на 206 °С і 9 % порівняно з варіан-
том I, а вміст H2О на виході з газифікатора зменшився до
4,3 % (рис. 8, c; рис. 9, c). На виході з газифікатора 30 ви-
ходить такий склад синтетичного газу для варіанта II
(об’ємні частки): CO2 = 3,38 %, CO = 32,56 %, H2 = 17,2 %,
H2О = 4,29 % та N2 = 42,570 % з теплотворною здатністю
5971 кДж/нм3 (рис. 6, f; рис. 9). На рис. 6, c, g показано
розподіл теплових потоків на стінку вбудованої труби ва-
ріантів I і II. Видно, що максимальне значення теплового
потоку становить
condrad
maxw,p
+
→Q
=
condrad
maxw,pα
+
→ ∙(tp,max(τ, z)−tw) =
0,55 кДж/(с·м2), що набагато менше зовнішнього тепло-
вого потоку, обумовленого електронагрівом ніхромової
спіралі, розташованої на зовнішній поверхні вбудованої
труби (крива 2, рис. 2). Звідси випливає, що тепло-обмін
між газифікатором 30 і піролізером 29 (рис. 1, a) мало
Рис. 8. Розподіл об’ємних часток компонентів синтетичного газу O2 (a), H2 (b), H2О (c), CO2 (d) та CO (e) за висотою
газифікатора для варіанта I залежно від часу, с: 1 – 3000; 2 – 4200; 3 – 5400; 4 – 6000; 5 – 6600; 6 – 7800; 7 – 9000
Fig. 8. Volume fractions distribution of synthetic gas components O2 (a), H2 (b), H2О (c), CO2 (d) and CO (e) along the height of
the gasifier for option I depending on time, s: 1 – 3000; 2 – 4200; 3 – 5400; 4 – 6000; 5 – 6600; 6 – 7800; 7 – 9000
151
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
впливає на процес піролізу. З рис. 6, c, g видно, що з ча-
сом теплосприйняття піролізера condrad
wp
+
→Q зростає, а теп-
ловідведення від піролізера зменшується. У цьому разі
газифікатор 30 виконує функцію ізолюючої внутрішньої
поверхні піролізера.
Рис. 9. Розподіл об’ємних часток компонентів синтетичного газу O2 (a), H2 (b), H2О (c), CO2 (d) та CO (e) за висо-
тою газифікатора для варіанта II залежно від часу, с: 1 – 2400; 2 – 3000; 3 – 4200; 4 – 5400; 5 – 6600; 6 – 9000
Fig. 9. Volume fractions distribution of synthetic gas components O2 (a), H2 (b), H2О (c), CO2 (d) and CO (e) along the
height of the gasifier for option I depending on time, s: 1 – 2400; 2 – 3000; 3 – 4200; 4 – 5400; 5 – 6600; 6 – 9000
Висновки.
1. Запропоновано оригінальний спосіб термохімічної
переробки біомаси. Суть його полягає в тому, що з од-
ного реактора виходять два різні за складом та теплот-
ворною здатністю синтетичні гази: низькокалорійний
генераторний газ (об’ємні частки) − CO2 = 3,38 %, CO =
32,56 %, H2 = 17,2 %, H2О = 4,29 % та N2 = 42,570 % з теп-
лотворною здатністю 5 971 кДж/нм3 та середньокало-
рійний піролізний газ (об’ємні частки) − CO2 = 11,2 %,
CO = 38,56 %, H2 = 26,9 %, C1.16H4 = 22,76 % (70 % CH4+30 %
C2H4), C6H6.2O0.2 = 0,31 % та N2 = 0,32 % з калорійністю
17 904 кДж/нм3.
2. Середньокалорійний піролізний газ передбачається
використовувати для часткової заміни природного газу
або рідкого палива в газових котельнях, оскільки він має
високу теплотворну здатність та малу кількість H2S і N2.
Це дає змогу частково витіснити природний газ із малої
енергетики.
3. Низькокалорійний синтетичний газ з теплотворною
здатністю 5971 кДж/нм3 практично не містить смол і
може використовуватись на міні-ТЕЦ шляхом подачі
його в камеру згоряння поршневого двигуна.
4. За допомогою моделей [8–10] отримано детальну ін-
формацію про конструктивні характеристики реактора,
процес піролізу, аеродинаміку, тепломасообмін і хімі-
чне реагування газодисперсного середовища. Ця інфор-
мація була використана при розробці двох схем устано-
вки термохімічної переробки продуктивністю з біомаси
(Bagasse) 1250 кг/год та 232,3 кг/год (на суху масу). Ці
дві установки різняться між собою тим, що в установці
великої продуктивності на один піролізер встановлю-
ються два газифікатори для термохімічної переробки
коксозольних частинок Bagasse: внутрішній – Bp =
68 кг/год, Hbed = 1 м і d = 598 мм, та зовнішній – Bp =
271 кг/год, Hbed = 2,552 м і D = 1158 мм. При малій про-
дуктивності на один піролізер встановлюється лише зо-
внішній газифікатор.
5. На відміну від існуючих подібних установок, тут реалі-
зується процес швидкого піролізу в нерухомому шарі.
Швидкість прогріву шару становить 713,4 °С/хв. З ураху-
ванням рециркуляції піролізних газів швидкість прогріву
шару може бути підвищена на 24–50 %, тобто до 885–
1070 °С/хв.
6. Результати розрахунків складу піролізного газу
(об’ємні частки): CO2 = 11,2 %, CO = 38,56 %, H2 = 26,9 %,
C1.16H4 = 22,76 % (70 % CH4+30 % C2H4), C6H6.2O0.2 = 0,31 %
і N2 = 0,32 % на виході з піролізера задовільно узгоджу-
ються з експериментальними даними: CO2 = 13,2 %,
CO = 40,1 %, H2 = 30 %, CH4 + CmHn = 16,3 %.
7. Для практично повного крекінгу смоли, що характери-
зується максимальним виходом легкого газу (основна
частка у формуванні змішаного піролізного газу) в
об’ємі піролізера температура частинок досягає
670−700 °С.
8. Показано, що розподіл швидкостей дисперсної фази
є дзеркальним відображенням профілю діаметра части-
нок. Різке зменшення діаметра та швидкості руху коксо-
зольних частинок має місце в кисневій та окислюва-
льно-відновній зонах та на ділянці газифікації, де проті-
кає інтенсивна конверсія коксозольних частинок через
гетерогенні хімічні реакції.
9. Напрацьована у придонній зоні зола формує шлакову
подушку з механічним недопалом q4 = 0, висота якої пі-
двищується з часом.
ПОСИЛАННЯ
1. Лавренов В. А. Диссертация на соискание ученой
степени кандидата технических наук. Эксперимента-
льное исследование процесса двухстадийной тер-
мической конверсии древесной биомассы в синтез-
газ. Москва. 2016. 152 с.
152
Відновлювана енергетика. №3/2023 | Біоенергетика
2. Батенин В. М., Бессмертных А. В., Зайченко В. М., Ко-
сов В. Ф., Синельщиков В. А. Термические методы
переработки древесины и торфа в энергетических
целях. Теплоэнергетика. 2010. № 11. С. 36–42.
3. Батенин В. М., Бессмертных А. В., Зайченко В. М., Ко-
сов В. Ф., Синельщиков В. А. Пиролитическая конве-
рсия биомассы в газообразное топливо. Доклады
Академии наук. 2012. Т. 446. № 2. С. 179–182.
4. Федосеев С. Д., Чернышев А. Б. Полукоксование и га-
зификация твердого топлива. Москва: Государствен-
ное научно-техническое издательство нефтяной и
горно-топливной литературы, 1960. 326 с.
5. Thunman H., Niklasson F., Johnsson F., and Bo Leckner.
Composition of Volatile Gases and Thermochemical
Properties of Wood for Modeling of Fixed or Fluidized
Beds. Energy & Fuels. 2001. Vol. 15. Pp. 1488–1497.
6. Sinag A., Kruse A., Schwarzkopf V. Formation and
degradation pathways of intermediate products formed
during the hydropyrolysis of glucose as a model
substance for wet biomass in a tubular reactor. Eng. Life
Sci. 2003. Vol. 3. Pp. 469–473.
7. Kabyemela B., Adschiri T., Malaluan R., Arai K.
Degradation kinetics of dihydroxyacetone and
glyceraldehyde in subcritical and supercritical water.
Ind. Eng. Chem. Res. 1997. Vol. 36. Pp. 2025–2030.
8. Rokhman B., Vyfatnyuk V. The Two-Stage Process of
Thermochemical Processing of Lignin in a Fixed Bed. 3.
Simulation and Numerical Analysis of the Nonstationary
Process of Pyrolysis in a Retort. Journal of Engineering
Physics and Thermophysics. 2023. Vol. 96. No. 2.
Pp. 506−512.
9. Рохман Б. Б., Клюс В. П., Клюс С. В. Математичне моде-
лювання та числове дослідження процесу газифікації
фіксованого вуглецю біомаси в щільному шарі при ат-
мосферному тиску. Ч. 1. Теоретичний опис конверсії ко-
ксозольних частинок у нерухомому шарі. Енерготехно-
логії та ресурсозбереження. 2022. № 1. С. 17−23.
10. Rokhman B., Vyfatnyuk V. The two-stage process of
thermochemical processing of lignin in a fixed bed. 2.
Simulation of the working process in the reactor and
numerical analysis of gasifi cation of coke–ash biomass
residue. Journal of Engineering Physics and
Thermophysics. 2023. Vol. 96. No. 2. Pp. 498–505.
11. Zanzi R., Krister S. and Björnbom E. Rapid Pyrolysis of
Bagasse at High Temperature. Proceeding of the
symposium. 1995. Vol. 1. Pp. 211–215.
REFERENCES
1. Lavrenov V. A. Dissertatsiya na soiskanie uchenoy
stepeni kandidata tehnicheskih nauk. Eksperimentalnoe
issledovanie protsessa dvuhstadiynoy termicheskoy
konversii drevesnoy biomassy v sintez-gaz [Dissertation
for the degree of candidate of technical sciences.
Experimental study of the process of two-stage woody
biomass thermal conversion into synthesis gas].
Moscow. 2016. 152 p.
2. Batenin V. M., Bessmertnyih A. V., Zaychenko V. M.,
Kosov V. F., Sinelschikov V. A. Termicheskie metodyi
pererabotki drevesinyi i torfa v energeticheskih tselyah.
[Thermal methods of wood and peat processing for energy
purposes]. Thermal Engineering. 2010. № 11. Pp. 36–42.
3. Batenin V. M., Bessmertnyih A. V., Zaychenko V. M.,
Kosov V. F., Sinelschikov V. A. Piroliticheskaya
konversiya biomassyi v gazoobraznoe toplivo [Pyrolytic
conversion of biomass to gaseous fuel] Reports of the
Academy of Sciences. 2012. Vol. 446. № 2. Pp. 179–182.
4. Fedoseev S. D., Chernyshev A. B. Polukoksovanie i
gazifikatsiya tverdogo topliva. [Semi-coking and
gasification of solid fuel]. Moscow: State Scientific and
Technical Publishing House of Oil and Mining Fuel
Literature. 1960. 326 p.
5. Thunman H., Niklasson F., Johnsson F., and Bo Leckner.
Composition of Volatile Gases and Thermochemical
Properties of Wood for Modeling of Fixed or Fluidized
Beds. Energy & Fuels. 2001. Vol. 15. Pp. 1488–1497.
6. Sinag A., Kruse A., Schwarzkopf V. Formation and
degradation pathways of intermediate products formed
during the hydropyrolysis of glucose as a model
substance for wet biomass in a tubular reactor. Eng. Life
Sci. 2003. Vol. 3. Pp. 469–473.
7. Kabyemela B., Adschiri T., Malaluan R., Arai K.
Degradation kinetics of dihydroxyacetone and
glyceraldehyde in subcritical and supercritical water.
Ind. Eng. Chem. Res. 1997. Vol. 36. P. 2025–2030.
8. Rokhman B., Vyfatnyuk V. The Two-Stage Process of
Thermochemical Processing of Lignin in a Fixed Bed. 3.
Simulation and Numerical Analysis of the Nonstationary
Process of Pyrolysis in a Retort. Journal of Engineering
Physics and Thermophysics. 2023. Vol. 96. No. 2. Pp.
506−512.
9. Rokhman B.B., Klius V.P., Klius S.V. Matematychne
modeliuvannia ta chyslove doslidzhennia protsesu
hazyfikatsii fiksovanoho vuhletsiu biomasy v
shchilnomu shari pry atmosfernomu tysku. Ch. 1.
Teoretychnyi opys konversii koksozolnykh chastynok u
nerukhomomu shari. [Mathematical Modeling and
Numerical Study of Biomass Fixed Carbon Gasification
in a Dense Bed at Atmospheric Pressure. Part 1.
Theoretical Description of Coke Particles Conversion in
a Fixed Bed]. Energy Technologies and Resource Saving.
2022. № 1. Pp. 17−23.
10. Rokhman B., Vyfatnyuk V. The two-stage process of
thermochemical processing of lignin in a fixed bed. 2.
Simulation of the working process in the reactor and
numerical analysis of gasifi cation of coke–ash biomass
residue. Journal of Engineering Physics and
Thermophysics. 2023. Vol. 96. No. 2. Pp. 498–505.
11. Zanzi R., Krister S. and Björnbom E. Rapid Pyrolysis of
Bagasse at High Temperature. Proceeding of the
symposium. 1995. Vol. 1. Pp. 211–215.
|
| id | veorgua-article-424 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:12:04Z |
| publishDate | 2023 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/4e/dd4ab6a3b0a6fb35103729e60f56124e.pdf |
| spelling | veorgua-article-4242026-07-18T06:32:19Z NUMERICAL STUDIES OF A TWO-STAGE THERMOCHEMICAL BIOMASS PROCESSING IN A FIXED BED PLANT WITH A CAPACITY OF 1250 kg/h ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ДВОСТАДІЙНОГО ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ В УСТАНОВЦІ З ФІКСОВАНИМ ШАРОМ ПРОДУКТИВНІСТЮ 1250 КГ/Ч Rokhman, B. Kobzar, S. fixed bed, biomass, Bagasse, thermal conductivity, steam-air gasification, conductive, radiation, heat transfer, gas, temperature. нерухомий шар, біомаса, Bagasse, теплопровідність, пароповітряна газифікація, кондуктивний, радіаційний, теплообмін, газ, температура. Using the developed models describing the processes of biomass pyrolysis (Bagasse) and gasification of its coke-ash residue, detailed information was obtained on the design characteristics of the reactor, the yield and composition of pyrolysis gases, aerodynamics, heat and mass transfer and the chemical reaction of the gas-dispersed medium. These results were used in the development of two original designs of plants for thermochemical processing of biomass with a Bagasse capacity of 1250 kg/h and 232.3 kg/h (dry weight). In the plant with a high capacity of 1250 kg/h, one pyrolyzer has two gasifiers for the conversion of Bagasse coke-ash particles: an internal gasifier with a capacity of 68 kg/h and an external one with a capacity of 271 kg/h. With a low productivity of 232.3&nbsp;kg/h, only an external gasifier is installed per pyrolyzer. З використанням побудованих моделей, що описують процеси піролізу біомаси (Bagasse) та газифікації її коксозольного залишку, отримано детальну інформацію про конструктивні характеристики реактора, вихід і склад піролізних газів, аеродинаміку, тепломасообмін і хімічне реагування газодисперсного середовища. Ці результати були використані під час розробки двох оригінальних конструкцій установок термохімічної переробки біомаси продуктивністю за Bagasse 1250 кг/год і 232,3 кг/год (на суху масу). В установці з великою продуктивністю, 1250 кг/год, на один піролізер припадає два газифікатори для конверсії коксозольних частинок Bagasse: внутрішній газифікатор продуктивністю 68 кг/год та зовнішній – 271 кг/год. У разі малої продуктивності, 232,3 кг/год, на один піролізер встановлюється лише зовнішній газифікатор. На відміну від існуючих установок термохімічної переробки біомаси, тут з реактора виходять два різні за складом та теплотворною здатністю синтетичні гази: низькокалорійний генераторний газ (об'ємні частки)&nbsp;− CO2 = 3,38&nbsp;%, CO&nbsp;= 32,56&nbsp;%, H2&nbsp;= 17,2&nbsp;%, H2О = 4,29&nbsp;% та N2 = 42,570&nbsp;% з теплотворною здатністю 5971&nbsp;кДж/нм3 і середньокалорійний піролізний газ&nbsp;− CO2 = 11,2&nbsp;%, CO = 38,56&nbsp;%, H2 = 26,9&nbsp;%, C1.16H4 = 22,76&nbsp;% (70&nbsp;% CH4+30&nbsp;% C2H4), C6H6.2O0.2 = 0,31&nbsp;% та N2 = 0,32&nbsp;% з калорійністю 17904&nbsp;кДж/нм3. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2023-10-19 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/424 10.36296/1819-8058.2023.3(74).141-152 Vidnovluvana energetika ; No. 3(74) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 141-152 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 3(74) (2023): Scientific and applied Journal renewable energy ; 141-152 Відновлювана енергетика; № 3(74) (2023): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 141-152 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2023.3(74) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/424/332 Copyright (c) 2023 B. Rokhman, S. Kobzar https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | fixed bed biomass Bagasse thermal conductivity steam-air gasification conductive radiation heat transfer gas temperature. Rokhman, B. Kobzar, S. NUMERICAL STUDIES OF A TWO-STAGE THERMOCHEMICAL BIOMASS PROCESSING IN A FIXED BED PLANT WITH A CAPACITY OF 1250 kg/h |
| title | NUMERICAL STUDIES OF A TWO-STAGE THERMOCHEMICAL BIOMASS PROCESSING IN A FIXED BED PLANT WITH A CAPACITY OF 1250 kg/h |
| title_alt | ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ДВОСТАДІЙНОГО ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ В УСТАНОВЦІ З ФІКСОВАНИМ ШАРОМ ПРОДУКТИВНІСТЮ 1250 КГ/Ч |
| title_full | NUMERICAL STUDIES OF A TWO-STAGE THERMOCHEMICAL BIOMASS PROCESSING IN A FIXED BED PLANT WITH A CAPACITY OF 1250 kg/h |
| title_fullStr | NUMERICAL STUDIES OF A TWO-STAGE THERMOCHEMICAL BIOMASS PROCESSING IN A FIXED BED PLANT WITH A CAPACITY OF 1250 kg/h |
| title_full_unstemmed | NUMERICAL STUDIES OF A TWO-STAGE THERMOCHEMICAL BIOMASS PROCESSING IN A FIXED BED PLANT WITH A CAPACITY OF 1250 kg/h |
| title_short | NUMERICAL STUDIES OF A TWO-STAGE THERMOCHEMICAL BIOMASS PROCESSING IN A FIXED BED PLANT WITH A CAPACITY OF 1250 kg/h |
| title_sort | numerical studies of a two-stage thermochemical biomass processing in a fixed bed plant with a capacity of 1250 kg/h |
| topic | fixed bed biomass Bagasse thermal conductivity steam-air gasification conductive radiation heat transfer gas temperature. |
| topic_facet | fixed bed biomass Bagasse thermal conductivity steam-air gasification conductive radiation heat transfer gas temperature. нерухомий шар біомаса Bagasse теплопровідність пароповітряна газифікація кондуктивний радіаційний теплообмін газ температура. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/424 |
| work_keys_str_mv | AT rokhmanb numericalstudiesofatwostagethermochemicalbiomassprocessinginafixedbedplantwithacapacityof1250kgh AT kobzars numericalstudiesofatwostagethermochemicalbiomassprocessinginafixedbedplantwithacapacityof1250kgh AT rokhmanb čislovídoslídžennâdvostadíjnogoprocesutermohímíčnoípererobkibíomasivustanovcízfíksovanimšaromproduktivnístû1250kgč AT kobzars čislovídoslídžennâdvostadíjnogoprocesutermohímíčnoípererobkibíomasivustanovcízfíksovanimšaromproduktivnístû1250kgč |