DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THER-MOCHEMICAL PROCESSING PART 1 REACTOR DESCRIPTION AND WORKFLOW MODELING
We propose an original method for the production from biomass two synthetic gases of different composition and calorific value in one reactor: low-calorific gas − CO2 = 3.36 %, CO = 32.9 %, H2 = 17.65 %, H2О = 3.72 % and N2 = 42.35 % with a calorific value of 6066 kJ/nm3 and medium-calorific one − C...
Збережено в:
| Дата: | 2024 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2024
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/463 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103773712056320 |
|---|---|
| author | Rohman , B. B. Kobzar, S. G. |
| author_facet | Rohman , B. B. Kobzar, S. G. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "B. B. Rohman ",
"institution": "Institute of Thermal Energy Technologies of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine; Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": " S. G. Kobzar",
"institution": "Institute of Thermal Energy Technologies of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine; Institute of Technical Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine "
}
] |
| author_sort | Rohman , B. B. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:20Z |
| description | We propose an original method for the production from biomass two synthetic gases of different composition and calorific value in one reactor: low-calorific gas − CO2 = 3.36 %, CO = 32.9 %, H2 = 17.65 %, H2О = 3.72 % and N2 = 42.35 % with a calorific value of 6066 kJ/nm3 and medium-calorific one − CO2 = 9.2 %, CO = 34 %, H2 = 13%, H2O = 24 %, C1.16H4 = 19 % (70 % CH4+30 % C2H4), C6H6.2O0.2 = 0.54 % and N2 = 0.23 % with a calorific value of 14581 kJ/nm3 and a low tar content. The experimental unit consists of two fixed bed pyrolyzers with an air fountain (or pneumatic transport) and a Bagasse coke-ash residue fixed bed gasifier. The fixed bed pyrolyzer consists of two concentric cylinders with electric heaters on their surfaces. The fixed bed of pellets is located in the gap between the cylinders. Two versions of the pilot plant are presented. In the first of them, rapid pyrolysis in a fixed bed occurs under the influence of three external sources of thermal energy: two electric heaters located on the walls of the cylinders and the recirculation of high-temperature pyrolysis gases, which makes it possible to achieve high heating rates of Bagasse pellets in a fixed bed − 736–1389 °С/min. To reduce the consumption of electric energy, the second variant provides a combined energy supply: 50% of electric energy and 50% of thermal energy from flue gases with a temperature of 1300 С. In the aerofoil (or pneumatic transport) mode, pyrolysis occurs due to the thermal energy of flue gases with a temperature of 850−950 °С, which heat the outer surface of the shell, and the thermal energy of the carrier medium (recirculating pyrolysis gas with a temperature of 800°С).    |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2024.2(77).123-136 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:31Z |
| format | Article |
| fulltext |
123
Відновлювана енергетика. №2/2024 | Біоенергетика
УДК 532.529: 532.517.4 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2024.2(77)123-136
КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ
ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ.
ЧАСТИНА 1.
ОПИС РЕАКТОРА Й МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ
Отримано 25 бер. 2024 р.; рекомендовано до публікації 21 чер. 2024 р.
Доступно онлайн 01 лип. 2024 р.
Рохман Б. Б.1,2, Кобзар С. Г.1,3
Автор для кореспонденції: Рохман Болеслав,
e-mail: brolene@yahoo.com
Запропоновано оригінальний спосіб виробництва з біомаси в
одному реакторі двох різних за складом і теплотворною зда-
тністю синтетичних газів: низькокалорійного − CO2 = 3,36 %,
CO = 32,9 %, H2 = 17,65 %, H2О = 3,72 % та N2 = 42,35 % з тепло-
творною здатністю 6066 кДж/нм3 − та середньокалорій-
ного − CO2 = 9,2 %, CO = 34 %, H2 = 13 %, H2O = 24 %, C1.16H4 =
19 % (70 % CH4 + 30 % C2H4), C6H6.2O0.2 = 0,54 % та N2 = 0,23 % з
калорійністю 14 581 кДж/нм3 з низьким вмістом смол. Експериментальна установка складається з
двох піролізерів з фіксованим шаром і аерофонтаном (або пневмотранспортом) і газифікатора коксо-
зольного залишку Bagasse в нерухомому шарі. Піролізер з фіксованим шаром складається з двох концен-
тричних циліндрів, на поверхнях яких розміщені електронагрівачі. Нерухомий шар частинок розташо-
вується в зазорі між циліндрами. Представлено два варіанти дослідної установки. У першому з них
швидкий піроліз у фіксованому шарі відбувається під впливом трьох зовнішніх джерел теплової енергії:
двох електронагрівачів, розташованих на стінках циліндрів, і рециркуляції високотемпературних піро-
лізних газів, унаслідок чого вдається досягти високих швидкостей прогріву частинок Bagasse у нерухо-
мому шарі − 736–1389 С/хв. Для зменшення споживання електричної енергії в другому варіанті перед-
бачено комбіноване підведення енергії: 50 % електричної енергії та 50 % теплової енергії димових газів
з температурою 1300 С. У режимі аерофонтана (або пневмотранспорту) піроліз відбувається за раху-
нок теплової енергії димових газів з температурою 850−950 С, які обігрівають зовнішню поверхню оби-
чайки, і теплової енергії несучого середовища (рециркулюючий піролізний газ з температурою 800 С).
Ключові слова: нерухомий шар, біомаса, Bagasse, теплопровідність, піроліз, пароповітряна газифікація,
кондуктивний, радіаційний, теплообмін, газ, температура.
DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THERMO-
CHEMICAL PROCESSING
PART 1
REACTOR DESCRIPTION AND WORKFLOW MODELING
Received Mar. 25, 2024; accepted Jun. 21, 2024
Available online Jul. 01, 2024
Rohman B. B1,2, Kobzar S. G.1,3
Author for correspondence: Rokhman Boleslav,
e-mail: brolene@yahoo.com
We propose an original method for the production from biomass
two synthetic gases of different composition and calorific value
in one reactor: low-calorific gas − CO2 = 3.36 %, CO = 32.9 %, H2
= 17.65 %, H2О = 3.72 % and N2 = 42.35 % with a calorific value
of 6066 kJ/nm3 and medium-calorific one − CO2 = 9.2 %, CO = 34
%, H2 = 13%, H2O = 24 %, C1.16H4 = 19 % (70 % CH4+30 % C2H4),
C6H6.2O0.2 = 0.54 % and N2 = 0.23 % with a calorific value of
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
України, м. Київ, Україна
3 Інститут технічної теплофізики НАН Укра-
їни, м. Київ, Україна
1 Dr. of Tech. Sciences
https://orcid.org/0000-0002-1270-6102
2 Сand. of Tech. Sciences
https://orcid.org/ 0000-0002-8615-4400
1 Institute of Thermal Energy Technologies of
the National Academy of Sciences of Ukraine,
Kyiv, Ukraine
2 Institute of Renewable Energy NAS of
Ukraine, Kyiv, Ukraine
3Institute of Technical Thermophysics of the
National Academy of Sciences of Ukraine,
Kyiv, Ukraine
124
Відновлювана енергетика. №2/2024 | Біоенергетика
14581 kJ/nm3 and a low tar content. The experimental unit consists of two fixed bed pyrolyzers with an air
fountain (or pneumatic transport) and a Bagasse coke-ash residue fixed bed gasifier. The fixed bed pyrolyzer
consists of two concentric cylinders with electric heaters on their surfaces. The fixed bed of pellets is located in
the gap between the cylinders. Two versions of the pilot plant are presented. In the first of them, rapid pyrolysis
in a fixed bed occurs under the influence of three external sources of thermal energy: two electric heaters lo-
cated on the walls of the cylinders and the recirculation of high-temperature pyrolysis gases, which makes it
possible to achieve high heating rates of Bagasse pellets in a fixed bed − 736–1389 С/min. To reduce the con-
sumption of electric energy, the second variant provides a combined energy supply: 50% of electric energy and
50% of thermal energy from flue gases with a temperature of 1300 С. In the aerofoil (or pneumatic transport)
mode, pyrolysis occurs due to the thermal energy of flue gases with a temperature of 850−950 С, which heat
the outer surface of the shell, and the thermal energy of the carrier medium (recirculating pyrolysis gas with a
temperature of 800С).
Keywords: fixed bed, biomass, Bagasse, thermal conductivity, pyrolysis, steam-air gasification, conductive, radia-
tion, heat transfer, gas, temperature.
ПОЗНАЧЕННЯ
A – коефіцієнт прогону, кДж/(с·м3·K);
a – ступінь чорноти;
B − витрата, кг/год (кг/с) або коефіцієнт прогону,
кДж/(с·м3·K);
C– концентрації газових компонентів, кмоль/м3, або ко-
ефіцієнт прогону, кДж/(с·м3·K);
c – теплоємність, кДж/(кг·K);
D – коефіцієнт дифузії, м2/с, або діаметр апарата, м,
або коефіцієнт прогону, кДж/(с·м3);
E, γ – рекурентні коефіцієнти;
d – діаметр внутрішнього циліндра, м;
g – прискорення вільного падіння, м/с2;
H – висота, м;
h – коефіцієнт конвективного теплообміну,
кДж/(с·м2·K);
I – сила струму, А;
k – константа швидкості реакції, м/с;
k1 – k3 – константи швидкостей первинних реакцій, с–1;
k4 – k5 –– константи швидкостей вторинних реакцій, с–1;
k01 – k05 – передекспоненціальні множники, с–1;
L – універсальна газова стала, кДж/(кмоль·К);
l – довжина спіралі, м;
M − масова частка газових компонентів;
n – число молей;
Nu – число Нуссельта;
P – тиск, Н/м2;
Q – тепловий ефект реакції, кДж/кмоль, або тепловий
потік, кДж/(с·м3);
q – зовнішній тепловий потік за рахунок електрона-
гріву, кДж/(с·м2);
r – швидкість гомогенної реакції, кмоль/(м3·c), або раді-
альна координата, м;
t – температура, С;
U – напруга, В;
u – швидкість, м/с;
z – аксіальна координата, м;
α – коефіцієнт теплообміну, кДж/(с·м2·К);
δ – діаметр частинки, м;
ε – порозність шару;
η – кінематична в’язкість газу, м2/с;
λ – коефіцієнт теплопровідності, кДж/(с·м·K);
μ – молекулярна маса, кг/кмоль;
ρ – щільність, кг/м3;
τ – час, с;
Ф − параметр моделі теплопровідності зернистого
шару;
∆ – проміжок, мм, або прирощення функції. Індекси:
ash − зола;
bagas – Bagasse;
bed − шар;
C – вуглець;
conv − конвективний;
cond − кондуктивний;
d − суха маса;
H2O+air − пароповітряна суміш;
g − газ;
max − максимальний;
mas − маса;
min − мінімальний;
p − частинка;
p→w − передача тепла від частинок до стінки;
rad − променистий;
r − робочий;
w − стінка;
дим. газ – димові гази;
пір – піролізер;
спір – спіраль;
ср − середній;
см − суміш;
эф − ефективний;
0 – початкове значення параметра;
I, II – варіанти розрахунку;
∑ – сума.
125
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
Вступ. Безперервно зростаюче споживання викопних
паливних ресурсів у довгостроковій перспективі приз-
веде не тільки до їхнього виснаження, а й також значно
посилить глобальний парниковий ефект, головним чи-
ном пов’язаний з викидом вуглекислого газу в атмос-
феру. Кліматичні дослідження, спрямовані на вияв-
лення зв’язку між викидами парникових газів і
глобальним потеплінням, дали змогу достовірно вста-
новити близьку до лінійної залежність між зміною се-
редньорічної температури на планеті та кількістю на-
копиченого в атмосфері вуглекислого газу [1].
Емісійний бюджет CO2, який визначається з цільового
допустимого рівня глобального потепління (величина
2 °C є найбільш загальновизнаною гранично допусти-
мою величиною, підтриманою главами 140 держав на
міжнародних переговорах зі зміни клімату), встанов-
лює граничну величину майбутніх сукупних викидів ді-
оксиду вуглецю. Стосовно енергетики це означає, що
розвиненим країнам необхідно негайно досягти пока-
зників темпу зниження емісії близько 8−10 % на рік, що
є свідомо несумісним з економічним зростанням [2]. У
світовій економіці вже сьогодні намітилася тенденція
до переорієнтації вугільних інвестицій у розвиток ене-
ргоустановок на основі відновлюваних джерел енергії.
Основним видом біомаси є деревина, яка використо-
вується в енергетиці та на хімічних підприємствах. Де-
ревна речовина в середньому містить близько 49 % ву-
глецю, 44 % кисню, 6 % водню, а також близько 0,5 %
азоту і 0,1 % сірки (на суху беззольну масу), елемент-
ний склад для деревини різних порід практично одна-
ковий. Основними процесами при термохімічній пере-
робці біомаси є піроліз і газифікація. Наразі відомі такі
основні типи піролізних реакторів: піроліз у щільному
шарі [3], піроліз у псевдозрідженому киплячому [4] або
циркулюючому [5] шарі, дисковий реактор, що оберта-
ється (біомасу притискають до гарячого обертового ди-
ска) [6] та конічний реактор (суміш біомаси та гарячого
піску перебуває в конусі, що обертається, а видалення
матеріалу, що прореагував, відбувається завдяки від-
центровим силам) [7], аблятивний реактор (біомасу
механічно притискають до гарячої стінки, а її «плав-
лять») [8], вихровий аблятивний реактор (частинки із
закрученого потоку потрапляють на гарячі стінки реак-
тора) [9], шнековий реактор (циліндрична реторта, що
обігрівається, зі шнеком) [10], «PyRos» (циклон, що мі-
стить інтегрований фільтр гарячих газів, у який потрап-
ляє суміш біомаси та гарячого піску) [11], плазмовий
реактор (циліндрична газорозрядна кварцова трубка,
в середину якої подається біомаса, продукти видаля-
ються вакуумним насосом) [12], мікрохвильовий реак-
тор (підведення енергії за допомогою взаємодії мікро-
хвильового випромінювання з молекулами й атомами
біомаси) [13], сонячний реактор (параболічний соняч-
ний концентратор, у фокусі якого реактор − кварцова
трубка) [14], вакуумний реактор (нагрівання пальни-
ком або індукційний нагрів у вакуумі) [15]. Альтернати-
вою простому піролізу є двостадійна піролітична кон-
версія, яка поєднує піроліз і подальше перетворення
летких продуктів, що конденсуються, на газ. Крекінг
парів високомолекулярних речовин, які за звичайних
умов являють собою рідину, здебільшого проводять
при високій температурі в спеціальних насадках з іне-
ртного матеріалу, або в шарі каталізатора чи коксового
залишку сировини. Залежно від параметрів процесу і
конкретної схеми реалізації, двостадійна переробка
дозволяє ефективно отримувати відносно чистий ни-
зько- або середньокалорійний газ. Основною перева-
гою апаратного поділу процесів піролізу і подальшої
газифікації порівняно зі звичайними газогенераторами
оберненого типу є низький вміст смол у газі (10–
15 мг/нм3).
Актуальність роботи: а) війна з Росією показала враз-
ливість української централізованої системи поста-
чання електричної та теплової енергії з використанням
теплоелектроцентралей. Перехід до децентралізова-
ної системи подачі цих видів енергії шляхом будівниц-
тва поблизу об’єктів споживання енергії малих тепло-
електростанцій (міні-ТЕЦ), призначених для
комбінованого виробництва електрики й тепла (коге-
нерації) може зробити енергосистему більш надійною
та економічною. Ці тези були озвучені в доповідях Пре-
зидента України, голови Укренерго та голови комітету
Верховної ради з питань енергетики та житлово-кому-
нальних послуг; б) заміна природного газу чи дизель-
ного палива на середньокалорійний піролізний газ до-
зволяє частково витіснити природний газ із малої
енергетики. Основними елементами обладнання міні-
ТЕЦ є газогенератор та газопоршневий двигун внутріш-
нього згоряння. З вищезазначеного випливає мета за-
пропонованої роботи.
Мета роботи: а) Розробити в металі експериментальну
установку, в якій реалізується технологія двостадійного
процесу термохімічної переробки біомаси з отриман-
ням середньокалорійного сухого піролізного газу з ка-
лорійністю 19 185 кДж/нм3, необхідного для заміни
природного газу чи дизельного палива, і низькокалорій-
ного синтетичного газу з теплотворною здатністю
6066 кДж/нм3 для спалювання на міні-ТЕЦ шляхом по-
давання в камеру згоряння поршневого двигуна; б) про-
вести широкі експериментальні дослідження процесу
термохімічної переробки Bagasse і Wood Birch, елемен-
тарні склади яких представлені в таблиці.
Для досягнення цієї мети необхідно розв’язати такі за-
дачі: 1) розробити технологічну схему експерименталь-
126
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
ної установки; 2) побудувати моделі процесів термолізу
та газифікації біомаси; 3) провести широкі числові дос-
лідження процесів піролізу та газифікації біомаси; 4) на
базі отриманих результатів розрахунків та конструктив-
них характеристик установки розробити конструктор-
ську документацію експериментальної установки, що
дозволить виготовити її у металі; 5) провести порівняння
результатів розрахунку з експериментальними даними.
Ця робота присвячена розв’язанню перших трьох задач.
До недоліків методу двостадійної переробки [16] нале-
жить те, що під час проходження піролізних газів через
шар коксозольних частинок протікають відновлювальні
реакції C + СO2 = 2CO і C + H2O = CO + H2, що підвищує
вміст H2 і CO в піролізному газі. Теплотворна здатність
газових компонентів H2 і CO набагато нижча, ніж CH4 і
C2H4. Тому для підвищення калорійності піролізного газу
доцільно збагачувати піролізні гази не вмістом H2 і CO, а
легкими гідрокарбонами CH4 і C2H4. У цій роботі для зме-
ншення концентрації компонентів H2 і CO в піролізер по-
дають сухий, очищений від пилу рециркулюючий піро-
лізний газ із температурою 800 С і невеликим вмістом
СO2 (9−12 %). Таким чином, збільшення концентрацій H2
і CO в піролізному газі через протікання відновлюваль-
них гетерогенних реакцій зведено до мінімуму. Тут ре-
циркулюючий піролізний газ має інше призначення, ніж
у [16], де робиться наголос на відновлювальних реак-
ціях. Він відіграє роль теплоносія, внаслідок чого швид-
кість прогрівання біомаси зростає в 1,89 раза. У пропо-
нованій роботі процес швидкого піролізу біомаси у
фіксованому шарі протікає за високих температур під
впливом трьох зовнішніх незалежних одне від одного
джерел теплової енергії (2 електронагрівачів і рецирку-
люючого високотемпературного піролізного газу), вна-
слідок чого: 1) практично вся смола перетворюється на
легкий газ, а змішаний піролізний газ (первинний + вто-
ринний) має високий вміст легкого гідрокарбону C1.16H4
= 19 % (70 % CH4 + 30 % C2H4) і має високу теплотворну
здатність − 14 581 кДж/нм3, на відміну від [16]; 2) швид-
кість прогріву шару в піролізері під впливом двох або
трьох джерел теплової енергії досягають 736–
1389 С/хв, що відповідає швидкому піролізу біомаси; 3)
отриманий у такий спосіб середньокалорійний піроліз-
ний газ (у перерахунку на суху масу) має теплоту зго-
ряння приблизно вдвічі нижчу, ніж природний газ. Його
передбачається використовувати для часткової заміни
природного газу або рідкого палива в газових котель-
нях, оскільки він має високу теплотворну здатність і
малу кількість H2S та N2. Це дозволяє частково витіснити
природний газ із малої енергетики.
На відміну від [16], з коксозольного залишку, отрима-
ного в результаті піролізу Bagasse в газифікаторі з неру-
хомим шаром, виробляється в пароповітряному середо-
вищі синтетичний газ з теплотворною здатністю
6066 кДж/нм3. Він практично не містить смол і може ви-
користовуватися на міні-ТЕЦ шляхом подавання його в
камеру згоряння поршневого двигуна.
Крім піролізера з фіксованим шаром, установка містить
у собі піролізер, що працює в режимі пневмотранспорту
(або аерофонтана) дрібних частинок біомаси. Тут обігрів
зовнішньої поверхні труби 30 (рис. 1) до температури
850−950 С здійснюється продуктами згоряння суміші:
синтетичного газу, коксозольних частинок і біомаси, а як
несуче середовище для дрібнодисперсних частинок
Bagasse виступає сухий, очищений від пилу, піролізний
газ із температурою 800 С. Отриманий у такий спосіб
середньокалорійний піролізний газ є дешевшим за газ,
що виробляється в піролізері з фіксованим шаром, че-
рез відсутність електронагріву.
Опис технології термохімічної переробки біомаси. На
рис. 1 наведено принципові схеми установки піролізу
Bagasse і газифікації його коксозольного залишку для ва-
ріантів I і II. Розглянемо роботу установки за схемою ва-
ріанта I. На початку розпалювання установки в газифіка-
торі 48 формується нерухомий шар із попередньо
напрацьованих коксозольних частинок біомаси δ0 =
10 мм, після чого відбувається його прогрів до темпера-
тури займання 600 С високотемпературною газовою
сумішшю 60 з температурою tg = 1000−1300 С (O2 ≤ 5 %),
що подається під решітку газогенератора.
Таблиця. Елементарний склад біомаси
Table. Elemental composition of biomasses
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
Wood Birch 48,25 5,58 0,199 45,66 0,01 74,974 0,3 5
127
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
Рис. 1. Схема експериментальної установки термохімічної переробки біомаси для варіантів I (a) і II (b): 1 − біомаса; 2 – воронка; 3, 35 − фла-
нець; 4, 5 − ніхромовий дріт; 6 – піролізер; 7 − внутрішня труба; 8 − манометр; 9 − шибер; 10 − відкриття шибера; 11 − розподільний конус;
12, 31 − неочищений піролізний газ; 13, 27 − система гарячого очищення; 14 – теплообмінник; 15 – димосос рециркуляції піролізних газів;
16 − газгольдер; 17 – теплоносій; 18 − скидання піролізного газу на свічку; 19, 40 − очищений середньокалорійний рециркулюючий піролізний
газ; 20 − електропідігрівач піролізних газів; 21 − газоаналізатор; 22 − пароповітряний змішувач; 23 − подавання повітря; 24 − подавання
пари; 25 – лінія подавання димових газів із топки до сушильної камери; 26 – бункер дрібних частинок біомаси; 28 – лінія скидання коксозоль-
ного залишку в топку; 29 − вихід димових газів із сорочки піролізера, що працює в режимі аерофонтана; 30 − піролізер, що працює в режимі
пневмотранспорта (або аерофонтан); 32 − лінія подавання дрібних частинок біомаси в ежектор; 33, 55 − вхід димових газів в сорочку піро-
лізера, що працює в режимі аерофонтана; 34 − ежектор; 36 – труба; 37 − кришка; 38 − живильник; 39 − сушарка; 41 − регулювальний кла-
пан; 42 − засувка; 43 − сорочка; 44 − топка; 45 − лінія подавання синтетичного газу в топку; 46 − димові гази, що уходять; 47 − злив золи;
48 − газифікатор коксозольного залишку; 49 − неочищений синтетичний газ; 50 − подавання димових газів до сорочки огороджувального
циліндра і внутрішньої труби; 51 − вихід димових газів із сорочки огороджувального циліндра і переливної труби; 52 − переливна труба;
53 − огороджувальний циліндр; 54 − сорочка огороджувального циліндра; 56 − мигалка; 57 − природний газ для розпалювання; 58 − лінія
байпаса; 59 − лінія подавання піролізного газу до топки; 60 − лінія подавання димових газів для прогрівання шару
Fig. 1. Schematic of the experimental plant for thermochemical biomass processing of for variants I (a) and II (b): 1 – biomass; 2 – funnel; 3, 35 – flange;
4, 5 – nichrome wire; 6 – pyrolyzer; 7 – inner pipe; 8 – pressure gauge; 9 – gate valve; 10 – opening of the gate valve; 11 – distribution cone; 12, 31 –
untreated pyrolysis gas; 13, 27 – hot cleaning system; 14 – heat exchanger; 15 – pyrolysis gas recirculation exhaust; 16 – gas holder; 17 – heat transfer
medium; 18 – pyrolysis gas discharge to the candle; 19, 40 – purified medium-calorie recirculating pyrolysis gas; 20 – electric heater of pyrolysis gases;
21 – gas analyzer; 22 – steam–air mixer; 23 – air supply; 24 – steam supply; 25 – flue gas supply line from the furnace to the drying chamber; 26 – bio-
mass fine particle hopper; 28 – line for discharging coke ash residue into the furnace; 29 – flue gas outlet from the pyrolyzer jacket operating in the air–
jet mode; 30 – pyrolyzer operating in the pneumatic transport mode (or air–jet); 32 – line for feeding small biomass particles into the ejector; 33, 55 –
flue gas inlet to the pyrolyzer jacket operating in the air–jet mode; 34 – ejector; 36 – pipe; 37 – cover; 38 – feeder; 39 – dryer; 41 – control valve; 42 –
gate valve; 43 – jacket; 44 – furnace; 45 – synthetic gas supply line to the furnace; 46 – exhaust flue gas; 47 – ash drain; 48 – coke ash residue gasifier;
49 – untreated synthetic gas; 50 – flue gas supply to the jacket of the enclosing cylinder and the inner pipe; 51 – flue gas outlet from the jacket of the
enclosing cylinder and the overflow pipe; 52 – overflow pipe; 53 – enclosing cylinder; 54 – jacket of the enclosing cylinder; 56 – flasher; 57 – natural gas
for ignition; 58 – bypass line; 59 – pyrolysis gas supply line to the furnace; 60 – flue gas supply line for heating the bed
а b
128
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
Паралельно з цим починається прогрівання поверхонь
нагріву піролізера до температури 800−850 С за раху-
нок тепла електронагрівачів, розташованих на внутріш-
ній поверхні труби 7 і на зовнішній поверхні огороджу-
вального циліндра 53. Для цього крізь ніхромові дроти
4 (циліндр 53) і 5 (циліндр 7) пропускається струм під на-
пругою U = 380 В. Водночас починається розпалювання
топкової камери природним газом 57, який було попе-
редньо закачано в газгольдер 16. Продукти згоряння 33,
отримані під час спалювання газу 57, використовуються
для нагріву поверхні піролізера 30 до температури
850−950 С, який працює в режимі пневмотранспорту
(або аерофонтана). У розпалювальному режимі піро-
лізні гази відсутні, тому як несуче середовище ансам-
блю дрібнодисперсних частинок Bagasse використову-
ється природний газ 57, підігрітий до температури
800 С в електронагрівачі 20. Після досягнення темпера-
тури займання частинок tp ≥ 600 С, що перебувають у
вузькій області поруч з решіткою газифікатора, теплоно-
сій 60 відключається і замість нього під решітку вво-
диться пароповітряна суміш 22 (O2mas = 0,184, N2mas =
0,616 та H2Omas = 0,2) з температурою
airOH2 +t = 330 С, і
починається процес конверсії фіксованого вуглецю, вна-
слідок чого на виході з газифікатора формується синте-
тичний газ 49 такого складу (об’ємні частки): CO2 =
3,36 %, CO = 32,9 %, H2 = 17,65 %, H2О = 3,72 % та N2 =
42,35 % з теплотворною здатністю 6066 кДж/нм3. Не-
очищений синтетичний газ 49 надходить у систему гаря-
чого очищення 13, після чого подається в теплообмін-
ник 14 (тільки за наявності великої кількості H2О, інакше
газ спрямовується по байпасній лінії 58), де відбувається
конденсація H2О і теплотворна здатність газу підвищу-
ється, потім димососом рециркуляції 15 подається у га-
зоаналізатор 21 і в топку 44 по лінії 45. У прирешітчастій
зоні із золових частинок формується шлакова подушка,
висота якої підвищується з плином часу. Для збере-
ження висоти шару необхідно періодично проводити
видалення золи по лінії 47 з газифікатора 48.
Після прогріву обладнання установки сира біомаса по-
дається в сушарку 39, де відбувається процес випарову-
вання вологи палива за рахунок передачі тепла біомасі
високотемпературними продуктами згоряння 25, отри-
маними в результаті спільного спалювання коксозоль-
них частинок 28, піролізного газу 59, біомаси 26 і синте-
тичного газу 45. Висушена біомаса надходить у воронку
2, а потім у піролізер 6. Рівномірний розподіл частинок
біомаси еквівалентного розміру δ0 = 10 мм по перерізу
піролізера забезпечується розподільним конусом 11.
Піролізер 6 розташований у проміжку товщиною ∆ = (D –
d)/2 між огороджувальною трубою діаметром D =
220 мм та внутрішньою трубою діаметром d = 150 мм.
Висота піролізера Hbed = 450 мм. Обидві труби 53 і 7 ви-
готовлені з аустенітно-феритної жароміцної сталі
X20H14C2 (робоча температура до 1150 С). Процес пі-
ролізу біомаси має циклічний характер. Після запов-
нення піролізера біомасою горловина 2 перекривається
кришкою 37. Процес піролізу відбувається під впливом
двох зовнішніх джерел теплової енергії шляхом
електронагріву внутрішньої поверхні огороджувального
циліндра 53 і зовнішньої поверхні труби 7. Для цього
крізь ніхромові дроти 4 і 5 діаметрами 5 мм (циліндр 53)
і 3 мм (циліндр 7) пропускається струм I = 166 А (циліндр
53) і I = 103 А (циліндр 7) під напругою U = 380 В. Дов-
жини спіралей lспір = 39,72 м (циліндр 53) та lспір = 23 м
(циліндр 7). Протягом τ = 64 с мінімальна температура
частинок підвищується від tp = 100 С до tp,min = 702 С,
що свідчить про практично повне завершення процесу
крекінгу смоли. Середня температура частинок у піролі-
зері за τ = 64 с становить 764 С, а швидкість прогрівання
шару − 716 С/хв. Температура частинок 764 С є дещо
завищеною, тому час прогрівання шару слід зменшити
до τ = 60 с. Тоді мінімальна температура частинок дорі-
внює tp,min = 646 С, середня – 736 С і швидкість прогрі-
вання частинок Bagasse – 736 С/хв. Для зменшення
часу прогріву частинок бажано зменшити температуру
tp,ср = 700 С, що дасть змогу підвищити швидкість про-
гріву шару. При цьому мінімальна температура части-
нок Bagasse знизиться до tp,min = 575 С, і виникає небез-
пека неповного крекінгу смоли. Такий режим роботи
піролізера при tp,min = 575 С для кожної марки біомаси
необхідно перевіряти дослідним шляхом. Маса шару
при піролізі зменшується від Мпір0 = 3,84 кг (на суху масу)
до Мпір = 1,09 кг. Далі коксозольний залишок у кількості
1,09 кг під впливом гравітаційних сил транспортується з
піролізера 6 у газифікатор 48 (Hbed = 1 м та D = 0,12 м)
шляхом відкриття шибера 9.
Отриманий в піролізері 6 середньокалорійний неочи-
щений газ (CO2 = 9,2 %, CO = 34 %, H2 = 13 %, H2O = 24 %,
C1.16H4 = 19 % (70 % CH4 + 30 % C2H4), C6H6.2O0.2 = 0,54 % і
N2 = 0,23 %) спрямовується в систему гарячого очищення
13, а потім в теплообмінник 14, де відбувається конден-
сація H2О, після чого сухий піролізний газ (CO2 = 12,1 %,
CO = 44,70 %, H2 = 17,2 %, C1.16H4 = 24,95 % (70 % CH4 +
30 % C2H4), C6H6.2O0.2 = 0,712 % і N2 = 0,3 %) з калорійністю
19 185 кДж/нм3 (при τ = 20 с)) димососом рециркуляції
15 заганяється в газгольдер 16 та в газоаналізатор 21.
Для підвищення швидкості прогріву шару в установці
передбачені лінії рециркуляції середньокалорійного пі-
ролізного газу 19 та 40. Піролізний газ 19 під надлишко-
вим тиском виходить з газгольдера 16 і спрямовується в
теплообмінник 14, де отримує тепло від теплоносія 17,
після чого догрівається до температури 800 С в електро-
нагрівачі 20, а потім подається в піролізер 6 і в ежектор
34, тим самим відбувається заміна несучого середовища
в піролізері 30 (природний газ після розпалювання замі-
нюється піролізним газом). У реакторі 30 відбувається пі-
роліз сухої Bagasse у режимі пневмотранспорту (або ае-
рофонтана) за рахунок тепла, отриманого від димових
газів 33, нагрітих до температури 850−950 С, та фізич-
ного тепла високотемпературного піролізного газу 19.
Кількість теплоти, що виділяється електронагрівачем, на
ділянці 0 < τ ≤ 20 с для підтримки температури tp,I(τ, r =
0,075 м) = 800 С на поверхні нагріву труби 7 (варіант I)
становить 1398 кДж/м2, а в діапазоні 20 < τ ≤ 64 с –
1302 кДж/м2, тобто на один цикл роботи піролізера ви-
трата зовнішнього тепла, що проходить через стінку
129
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
труби 7, дорівнює 2699 кДж/м2. Основною відмінністю
варіанта II (рис. 1, b) від варіанта I є зменшення витрат
електричної енергії на піроліз Bagasse. У варіанті II прак-
тично половина тепла, що виділяється електронагріва-
чем, 1302 кДж/м2, яке споживається вбудованою тру-
бою, заміщується тепловою енергією димових газів. Для
цього через τ = 20 с відбувається вимкнення електрона-
грівача, розміщеного на поверхні циліндра 7 (рис. 1, b),
та одночасне подавання димових газів з температурою
1300 С лінією 50 у зазор між внутрішньою 7 і перелив-
ною 52 трубами. Відхідні димові гази 51 спрямовуються
на вхід у сорочку 43 піролізера 30. Оскільки температура
димових газів дорівнює 1300 С, ми не можемо викори-
стовувати у варіанті II труби 7, 52 і 54, виготовлені зі сталі
X20H14C2 з робочою температурою 1150 С та ніхро-
мові спіралі 4 і 5. У цьому разі для виготовлення труб не-
обхідно використовувати хромисті сталі 15Х25Т, 15Х28,
1Х13Ю4, 08Х27Ю5 з допустимою температурою 1300 С,
а в електронагрівачах застосовувати молібденові або
вольфрамові спіралі.
Основні передумови. Передбачається, що газова суміш
у газифікаторі складається з кисню, діоксиду й оксиду
вуглецю, азоту, водяної пари, водню. Газова суміш на
виході з піролізера, окрім зазначених компонентів, міс-
тить легкий гідрокарбон C1.16H4 (70 % CH4 + 30 % C2H4), сі-
рководень H2S і рідку фазу – смолу C6H6.2O0.2. Тверда
фаза представлена монодисперсними частинками сфе-
ричної форми, вихід летких речовин призводить до зни-
ження густини твердої фази за постійного діаметра, а
перебіг гетерогенних реакцій горіння і газифікації на по-
верхні частинок – до зменшення їхнього розміру за не-
змінної густини, порозність шару по вертикальній осі z
не змінюється, газ між частинками шару рухається в ре-
жимі ідеального витіснення.
Моделювання процесу газифікації. Система диферен-
ціальних рівнянь, що описує аеродинаміку, тепломасо-
обмін і хімічне реагування коксозольних частинок біо-
маси в газифікаторі 48 (рис. 1), містить рівняння
нерозривності для кисню:
−
−+
−
=
+
++
→
δ
)ε1()(6)(
τ
w
O0.5OCOCO
смO
OgO 2222
2
22
Ckk
z
С
D
zz
СuС
222 OHOCO 0.50.5 ++ −− rr , (1)
діоксиду вуглецю:
++
−−
+
=
+
+
++
→ 2
22222
2
22
OCO
w
COСOC
w
OOCCO
смCO
COgCO
δ
)ε1)((6)(
τ
r
CkCk
z
С
D
zz
СuС
OHCO 2++ r , (2)
оксиду вуглецю:
−
−++
+
=
+
+++
→
δ
)ε1(21)(
τ
w
OHOHC
w
COСOC
w
O0.5OCCO
смCO
COgCO 222222
CkCkCk
z
С
D
zz
СuС
OHCOOCO 22 ++ −− rr , (3)
водяної пари:
OHCOOH
w
OHOHCOH
смOH
OHgOH
222
222
2
22
δ
)ε1(6)(
τ
++
+
→ −+
−
−
=
+
rr
Ck
z
С
D
zz
СuС
, (4)
водню:
OHCOOH
w
OHOHCH
смH
HgH
222
222
2
22
δ
)ε1(6)(
τ
++
+
→ +−
−
+
=
+
rr
Ck
z
С
D
zz
СuС
, (5)
азоту:
=
+
→
z
С
D
zz
СuСN 2
2
22 N
смN
Ng )(
τ
. (6)
рівняння збереження кількості руху та енергії газової фази:
−−
+−
−=
+
32
g
2
ggg
ggg
g
2
gggg
εδ
ε)-(1ρη150
ηρρ
)ρ(
τ
)ρ( u
z
u
z
g
z
P
z
uu
130
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
3
2
gg
δε
ε)-(1ρ75,1 u
− , (7)
+
−
−+
=
+
δ
)ε1(6
)(λ
)ρ(
τ
)ρ(
gpconv
g
эфg,
ggggggg
tth
z
t
zz
tсutс
OHCOOHCOOHOHOCOOCO 22222222 ++++++ +++ QrQrQr , (8)
рівняння руху і теплового балансу частинок:
δρ
6μ
)2(
p
Cw
OHOHC
w
COСOC
w
O0.5OCOC
p
2222222
CkCkCkk
dz
du
++++ +++−= , (9)
−−++
=
− ++++++ 22222222 COC
w
COСOC
w
OO5.0CO5.0COCOC
p
эф
p
pp )(λ
τ
ρ)ε1( QCkCQkQk
z
t
z
t
c
+
−−−
−
−−− +
→++
z
t
ucQtthQCk
p
ppp
condrad
wpgpconvOHC
w
OHOHC ρ)ε1(
δ
)ε1(6
)(
222
δ
6μ
)2()ε1( Cw
OHOHC
w
COСOC
w
O0.5OCOCpp 2222222
CkCkCkktc ++++ +++−+ , (10)
де ефективний коефіцієнт теплопровідності λэф знаходиться за формулою [17]
p
g
g
prad,
g
grad,
g
эф
λ3
λ2
λ
δα
/Ф1
1
ε1
λ
δα
1ε
λ
λ
+
+
−
+
+= , (11)
коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням від частинки через газ повз сусідні зерна визначається згідно з виразом
[17]
3
p
pp
9-
grad, 273)(
))ε-(1)/(2-(1ε1
1
100,227α +
+
= t
aa
, (12)
коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням між сусідніми частинками [17] –
p
3
pp9-
prad,
-2
273)(
100,227α
a
ta +
= , (13)
концентрації газових компонентів на поверхні частинки і коефіцієнти масообміну знаходяться як [18]:
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 ,
OHCOHD,
OHOHD,w
OH
22
22
2 α
α
++
=
k
С
C ,
COD,
w
OHOHC
w
COСOC
w
OO5,0CCOCOD,w
CO
α
)(2α
222222
CkCkCkС
C
+++ +++
= ,
δ
Nu
α
смO
OD,
2
2
→
=
D
,
δ
Nu
α
смCO
COD,
2
2
→
=
D
,
δ
Nu
α смCO
COD,
→=
D
,
δ
Nu
α
смOH
OHD,
2
2
→
=
D
. (14)
Швидкості гомогенних реакцій
22 OH +r , OHCO 2+r ,
2OCO+r , OHCH 24+
r відповідно до залежностей [19−21]:
( ) gg
30,25
O
0,5
OHCO
12
OCO 167,4·10exp·2,239·10
222
TLCCСr −=+ ,
131
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
( ) gg
31,5
O
0,25
H
1-15
OH 167·10exp6,8·10
2222
TLCCTr g −=+ ,
( ) −−=+
0,5
COOHgg
310
OHCO 22
288,3·10exp2,34·10 CСTLr
( )
22 CO
0,5
Hgg
37 190·10exp2,2·10 СCTL− ,
( ) −−=+ gg
3
OH
0,5
CH
7
OHCH 251·10exp8·10
2424
TLССr
( ) gg
3
HCO
14- 27,3·10exp5,12·10
2
TLСС − . (15)
Граничні умови на вході в шар (z = 0) для параболічних рівнянь (1) – (8), (10) знаходяться з виразів:
z
t
p
=
2COС = COС =
2HС = 0,
2OС =
0O2
С ,
2NС =
0N 2
С ,
OH2
С =
O0H2
С , ug = ug0, tg = tg0, (16)
на виході з шару (z = Hbed) –
z
t
g
=
z
С
2O
=
z
С
2CO
=
z
С
CO =
z
С
OH2 =
z
С
2H
=
z
С
2N
;
z
u
g
= 0, tp(z = Hbed) = 700 С. (17)
Початкова умова для звичайного диференціального рі-
вняння (9) – up(z = Hbed) = up0. Зв’язок між діаметром ре-
агуючих коксозольних частинок біомаси δ(τ, z) та їхньою
швидкістю up(τ, z) на окиснювальній і відновлювальній
ділянках газифікатора можна одержати зі співвідно-
шення витрат біомаси на виході з відновлювальної зони
(за ходом газу), де швидкості частинок up(τ, z) = up0, та в
перерізі z, який належить до цієї ділянки, що розгляда-
ється
3
0
pp
pp0
),τ(δ
δ
)ρ,τ()ε1(
ρ)ε1(
=
−
−
zzu
u
. (18)
Параболічні рівняння (1) – (8), (10) з граничними умо-
вами (16) і (17) інтегрувалися методом прямого і зворо-
тного прогонів з ітераціями на кожному кроці інтегру-
вання. Висота шару розбивалася на i = 1−5000 вузлів.
Використовували нерівномірну дискретну сітку, що згу-
щується за напрямком z→0.
Моделювання процесу піролізу. Для опису процесу кі-
нетики піролізу біомаси використовується модель, по-
будована на основі трьох незалежних паралельних реа-
кцій утворення твердої, газоподібної та рідкої фази
(смоли) з урахуванням вторинних реакцій, пов’язаних із
крекінгом смоли. Система рівнянь, що описує процес
термолізу біомаси, має вигляд:
bagas321
bagas
γ)(
τ
γ
kkk
d
d
++−= ,
bagas
смол4bagas1
bagas
g
γγ
τ
γ
kk
d
d
+= ,
+
−+−=
54
2bagasbagas
смол54
bagas
смол
γ
γ)(
τ
γ
kk
k
kk
d
d
,
bagas
смол5bagas3
bagas
char γγ
τ
γ
kk
d
d
+= , (19)
де
bagas
gγ ,
bagas
смолγ і
bagas
charγ − масові частки продуктів термо-
лізу біомаси (від сумарного максимального виділення
продуктів термічного розкладання) газу, смоли та char,
γbagas − відношення поточної маси продуктів біомаси,
що виділилися, до їхньої максимальної кількості. Конс-
танти швидкостей первинних і вторинних реакцій, що
мають арреніусівську залежність від температури, обчи-
слюються за формулами:
+
=
273)(
-
exp
p
0
tL
E
kk i
ii (i = 1−3),
+
=
273)(
-
exp
g
0
tL
E
kk i
ii (i = 4, 5), (20)
де k01 = 4,38·109 с-1, E1 = 152 700 кДж/кмоль (біомаса → газ);
k02 = 1,08·1010 с-1, E2 = 147 500 кДж/кмоль (біомаса →
смола);
k03 = 3,27·106 с-1, E3 = 111 700 кДж/кмоль (біомаса → char);
k04 = 4,28·106 с-1, E4 = 107 500 кДж/кмоль (смола → газ);
k05 = 105 с-1, E5 = 107 500 кДж/кмоль (смола → char) [22, 23].
З рівнянь (19) і (20) випливає, що швидкості первинних і
вторинних реакцій розкладання біомаси залежать від
температур частинок і газу (tp(τ, r) = tg(τ, r)). У цьому разі
температуру частинок визначають за допомогою
132
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
параболічного диференціального рівняння енергії твер-
дої фази, що описує зміну в часі радіального розподілу
температури частинок у осесиметричному циліндрич-
ному щільноупакованому зернистому шарі:
=
−
r
t
r
rr
tc p
пірэф,
pp
p λ
τ
)ε1(ρ або rq
rr
tc
=
−
τ
)ε1(ρ
pp
p , (21)
де ефективний коефіцієнт теплопровідності λэф.пір обчислюється згідно з [24]:
radcondпірэф, ααλ += , (22)
коефіцієнт кондуктивного теплообміну розраховується за формулою
( )
−
−−
= 1
λ
λ
1
/λλln
λ
λ
1
λ2
α
p
g
gp
p
g
g
cond , (23)
а коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням − виходячи з виразу
( )
0.96
p
p0
3
p01.11
gpgrad
0,576
1
1-
1
2
/λδ273)(σ4
/λλλ0,707α
+
+
=
a
t
. (24)
При математичному описі динаміки виходу летких ре-
човин враховуються склади компонентів первинного та
вторинного (легкого) піролізних газів. Крім того, зале-
жно від перебудови температурного поля частинок біо-
маси з плином часу враховується зміна складу компоне-
нтів первинного піролізного газу, а отже, і складу
змішаного газу за перерізом реторти на відміну від [25,
26]. Для цього використовується система рівнянь, поді-
бна до [27], де склад газових компонентів )(CO gtn ,
)(SH2 gtn , )(
2CO gtn , )(
2H gtn , )(OH2 gtn і )(
41.16HC gtn
є функцією від температури, про що свідчать такі вирази
та рис. 2 з [27]:
5.06
g
HC
CO16-
CO
HC
273)(
μ
μ
5·10
41.16
2
2
41.16 += t
n
n
,
+
−
+
+−=
2
ggCO
CO
CO
CO
273)(
5019898
273)(
3.7730
1.845exp
μ
μ
2
2
ttn
n
. ( 25)
Тому на кожному кроці інтегрування параболічного ди-
ференціального рівняння енергії твердої фази (21) для
кожного елементарного об’єму Hbedrdr розв’язувалася
система алгебраїчних рівнянь, подібна до [27], та визна-
чалися значення CO, H2S, CO2, H2, H2O і C1.16H4 залежно
від tg(τ, r).
Граничні умови на стінках огороджувального цилін-
дра D = 220 мм і внутрішньої труби d = 150 мм для па-
раболічного рівняння (21) мають вигляд − варіант I:
tpI(τ, r = 0,11 м) = 850 С, tp,I(τ, r = 0,075 м) = 800 С. Для
забезпечення необхідного рівня температур до стінок
циліндрів слід підвести теплову енергію. У цій роботі
розглядаються два варіанти підведення енергії: за ра-
хунок електронагріву й передачі тепла шляхом про-
менистого і конвективного теплообміну від високоте-
мпературних продуктів згоряння до поверхонь на-
гріву циліндрів. Якщо під час передавання тепла сті-
нкам двох циліндрів використовується електрона-
грів, то зовнішні теплові потоки обчислюються від-
повідно до виразів: для зовнішнього циліндра 53
(рис. 1) −
2/)( 11.011.0
1/2τ
11.0
1τ
11.0 rrrrr rrDq −==
+
=
+
+= −= , (26)
для вбудованого циліндра 7 (рис. 1) −
2/)( 075.0075.0
1/2τ
075.0
1τ
075.0 =+=
+
=
+
−= −= rrrrr rrDq . (27)
Якщо, наприклад, огороджувальний циліндр 53 (рис. 1)
живиться тепловою енергією завдяки електронагріву, а
внутрішній 7 (рис. 1) шляхом передавання тепла від ви-
сокотемпературних продуктів згоряння до стінки вбудо-
ваної труби, тоді тепловий потік на поверхні труби 53 ви-
значається формулою (26), а тепловий потік для
вбудованої труби 7 згідно із залежністю:
)(α
1τ
0.075 p
1τ
дим.газ
1/2τ
-0.075
1τ
-0.075
+
=
++
=
+
= −=
rrr ttq , (28)
де температура димових газів tдим.газ розраховується, ви-
ходячи з виразу:
133
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
1/2τ
-0.075
0.0750.075
1/2τ
075.01τ
дим.газ
2α
)(
+
=
+
+
−=+ −
=
r
rr rrD
t . (29)
Тут α∑ – сумарний коефіцієнт тепловіддачі (радіаційний
+ конвективний), кДж/(с·м2·K). Вираз (26) отримано
шляхом інтегрування рівняння теплопереносу дисперс-
ної фази (21) по половині контрольного об’єму в інтер-
валі (0,11-∆r) ≤ r ≤ 0,11 м. Для виведення залежності (26)
запишемо дискретний аналог рівняння (21) у такому ви-
гляді [28]:
1/2τ1τ
1p,
1/2τ1τ
1p,
1/2τ1τ
p,
1/2τ ++
−
++
+
+++ ++= iiiiiii DtCtBtA , (30)
де
1/2τ+
iA ,
1/2τ+
iB ,
1/2τ+
iC та
1/2τ+
iD – прогоночні коефі-
цієнти, індекс i = 1−6000 вузлів. Запишемо рівняння (30)
у точці i = 6000, що відповідає r = 0,11 м:
1τ
6000p,
1/2τ
6000
1τ
5999p,
1/2τ
6000
1/2τ
6000
+
=
+
=
+
=
+
=
+
= +−= iiiii tAtCD , (31)
де
2
599960006000
1/2τ
српірэф,
1τ
6000p1/2τ
6000p
1/2τ
6000
)(
)λ(2
τ
)ε1(ρ
rrr
rc
A i
ii
−
+
−=
++
=+
=
+
=
,
1/2τ
6000
+
=iB = 0,
2
599960006000
1/2τ
српірэф,1/2τ
6000
)(
)λ(2
rrr
r
Ci
−
−=
+
+
=
)(
2
τ
)ε1(ρ
59996000
1τ
-6000
τ
6000p
τ
6000p1/2τ
6000p
1/2τ
6000
rr
qtc
D iii
ii
−
+
−=
+
===+
=
+
=
. (32)
Беручи до уваги, що значення температур поверхонь на-
гріву зовнішнього і внутрішнього циліндрів не залежать
від часу (ліва частина рівняння (21) дорівнює 0, внаслі-
док чого перші члени першого і четвертого виразів (32)
не враховуються), після нескладних перетворень четве-
ртого виразу (32) ми приходимо до формули (26). Ана-
логічним способом отримано вирази (27) − (29). Грани-
чна умова на стінці огороджувального циліндра у
варіанті II така сама, як у варіанті I − tpII(τ, r = 0,11 м) =
850 С. Гранична умова на стінці внутрішньої труби для
варіанта II комбінована. У часовому інтервалі 0 < τ ≤ 20 с
для підтримання температури tp,II(τ, r = 0,075 м) = 800 С
використовується електронагрів. За τ > 20 с застосову-
ється обігрів труби 7 високотемпературними продук-
тами згоряння з постійною температурою tдим.газ =
1300 C. Запишемо рівняння (30) у крайній вузловій то-
чці i = 4095, що відповідає значенню r = 0,075 м.
1τ
4095p,
1/2τ
4095
1τ
4096p,
1/2τ
4095
1/2τ
4095
+
=
+
=
+
=
+
=
+
= +−= iiiii tAtBD , (33)
де
2
409540964095
1/2τ
српірэф,1/2τ
4095
)(
)λ(2
rrr
r
Ai
−
=
+
+
= ,
2
409540964095
1/2τ
српірэф,1/2τ
4095
)(
)λ(2
rrr
r
Bi
−
−=
+
+
= ,
1/2τ
4095
+
=iC =0,
)(
2
40954096
1τ
-40951/2τ
4095
rr
q
D i
i
−
=
+
=+
= . (34)
Запишемо рекурентні формули прямого прогону:
1/2τ
4095
1/2τ
40951/2τ
4096γ
+
=
+
=+
= =
i
i
i
A
D
,
1/2τ
4095
1/2τ
40951/2τ
4096 +
=
+
=+
= −=
i
i
i
A
B
E . (35)
З урахуванням (35) визначаємо температуру стінки вбу-
дованої труби
1/2τ
4096
1τ
4096,p
1/2τ
4096
1τ
4095,p γ +
=
+
=
+
=
+
= += iiii tEt . (36)
Висновки.
1. Запропоновано оригінальну технологію двостадій-
ного процесу термохімічної переробки Bagasse з отри-
манням в одній установці середньокалорійного сухого
піролізного газу − CO2 = 12,1 %, CO = 44,70 %, H2 = 17,2 %,
C1.16H4 = 24,95 % (70 % CH4+30 % C2H4), C6H6.2O0.2 = 0,712 %
та N2 = 0,3 % з калорійністю 19 185 кДж/нм3 (при τ = 20 с)
і низькокалорійного синтетичного газу − CO2 = 3,36 %,
CO = 32,9 %, H2 = 17,65 %, H2О = 3,72 % та N2 = 42,35 % з
теплотворною здатністю 6066 кДж/нм3.
2. Процес швидкого піролізу в нерухомому шарі у варіа-
нті I реалізується завдяки тепловій енергії трьох зовніш-
ніх джерел тепла: двох електронагрівачів, розташова-
них на поверхнях нагріву двох концентричних
циліндрів, та рециркуляції піролізного газу, що прогрі-
ває шар із середини. Така схема підведення теплової
енергії дає змогу досягти високих швидкостей прогрі-
вання частинок у шарі 736–1389 С/хв.
3. Для зменшення кількості теплової енергії, що вироб-
ляється електронагрівачами, обігрів поверхонь нагріву
зовнішнього і внутрішнього циліндрів проводиться в та-
кий спосіб: у перші 20 с, що відповідає максимальним
зовнішнім тепловим потокам, які різко зменшуються з
плином часу, витрачається електрична енергія. Це дає
змогу швидко регулювати зміни теплових потоків за ра-
хунок зменшення сили струму. Зі спливом 20 с електри-
чна енергія замінюється тепловою енергією димових
134
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
газів з постійною температурою 1300 С в інтервалі 20 <
τ ≤ 60 с.
4. Побудовано дві нестаціонарні моделі, що описують
процеси піролізу Bagasse і газифікації його коксозоль-
ного залишку в нерухомому шарі. У моделі процесу га-
зифікації враховуються міжфазний конвективний тепло-
обмін, радіаційно-кондуктивне теплоперенесення
твердої фази, радіаційний і кондуктивний теплообмін
шару зі стінкою реактора, гетерогенні та гомогенні хімі-
чні реакції, сили тяжіння й аеродинамічного опору. Мо-
дель процесу термолізу біомаси базується на основі
трьох первинних незалежних паралельних реакцій пе-
ретворення активної частини біомаси на газову та рідку
фази і char з урахуванням вторинних реакцій розкла-
дання смоли на char і легкий газ.
5. У частинах 2−5 цієї роботи будуть наведені й обґрун-
товані результати числових досліджень процесів термо-
лізу у фіксованому шарі та в режимі аерофонтана (або
пневмотранспорту) та газифікації біомаси в нерухомому
шарі.
ПОСИЛАННЯ
1. BP Statistical Review of World Energy June 2016
[Электронный ресурс]: http://www.bp.com/statisti-
calreview.
2. Изменение климата, 2014 г.: Обобщающий доклад.
Вклад Рабочих групп I, II и III в Пятый оценочный
доклад Межправительственной группы экспертов
по изменению климата [основная группа авторов,
Р. К. Пачаури и Л. А. Мейер (ред.)]. МГЭИК, Женева,
Швейцария. 163 с.
1. https://www.ipcc.ch/site/assets/up-
loads/2018/02/SYR_AR5_FINAL_full_ru.pdf
2. Chopra, S. A Review of Fixed Bed Gasification Systems
for Biomass / S. Chopra and A. Jain. Agricultural Engi-
neering International: the CIGR Ejournal. Invited Over-
view. 2007. № 5. Vol. IX. 23 p.
3. Lv, P. M. An experimental study on biomass air–steam
gasification in a fluidized bed / P. M. Lv, Z. H. Xiong,
J. Chang, C. Z. Wu, Y. Chen, J. X. Zhu. Bioresour. Technol.
2004. Vol. 95. P. 95–101.
4. Li, X. T. Biomass gasification in a circulating fluidized bed
/ X. T. Li, R. Grace, C. J. Lim, A. P. Watkinson, H. P. Chen,
J. R. Kim. Biomass Bioenergy. 2004. Vol. 26. P. 171–193.
5. Sadaka, S. Pyrolysis and Bio-Oil, Agriculture and Natural Re-
sources [Электронный ресурс] / S. Sadaka, A. A. Boateng.
Fayetteville, AK, USA. University of Arkansas. – Режим
доступа: http://www.uaex.edu/Other_Areas/publi-
cations/PDF/FSA-1052.pdf.
6. Wagenaar, B. M. Rotating Cone Bio-oil Production and Ap-
plications. In Progress in Thermochemical Biomass Conver-
sion / B. M. Wagenaar, R. H. Venderbosch, J. Carrasco, R.
Strenziok, B. J. Van der Aa; Ed. by A. V. Bridgewater. Black-
well Science: Oxford, UK. 2001. P. 1268–1280.
7. Jones, S. B. Production of Gasoline and Diesel from Bio-
mass via Fast Pyrolysis, Hydrotreating and Hydrocrack-
ing: A Design Case / S. B. Jones, J. E. Holladay, C. Valken-
burg, D. J. Stevens, C. W. Walton, C. Kinchin, D. C. Elliott,
S. Czernik. U.S. Department of Energy: Springfield, VA,
USA. 2009. 76 p.
8. The Research Progress of Biomass Pyrolysis Processes
[Электронный ресурс] / National Resource Manage-
ment Environment Department. – Режим доступа:
www.fao.org/docrep.
9. Mohan, D. Pyrolysis of wood/biomass for bio-oil: A crit-
ical review / D. Mohan, C. U. Pittman, P. H. Steele. En-
ergy Fuels. 2006. Vol. 20. P. 848–889.
10. Bramer, E. A. Clean Liquid Fuel through Flash Pyrolysis.
In The Development of the PyRos Process: AFTUR Final
Report / E. A. Bramer, M. R. Holthuis. Enschede, The
Netherlands. University of Twente. 2005.
11. Tang, L. Plasma pyrolysis of biomass for production of
syngas and carbon adsorbent / L. Tang, H. Huang. En-
ergy Fuels. 2005. Vol. 19. P. 1174–1178.
12. Fernández, Y. Influence of feed characteristics on the
microwave-assisted pyrolysis used to produce syngas
from biomass wastes / Y. Fernández, J.A. Menéndez. J.
Anal. Appl. Pyrolysis. 2011. Vol. 91. P. 316–322.
13. Boutin, O. Flash pyrolysis of cellulose pellets submitted
to a concentrated radiation: experiments and modeling
/ O. Boutin, M. Ferrer, J. Lede. Chem. Eng. Sci. 2002. Vol.
57. P. 15–25.
14. Roy, C. Development of a Novel Vacuum Pyrolysis Reac-
tor with Improved Heat Transfer Potential. In Develop-
ments in Thermochemical Biomass Conversion / C. Roy,
D. Blanchette, L. Korving, J. Yang, B. DeCaumia; Eds.:
A. V. Bridgewater, D. G. B. Boocock. London, UK. Blackie
Academic and Professional. 1997. P. 351–367.
15. 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.
16. Аэров М. Э., Тодес О. М., Наринский Д. А. Аппараты
со стационарным зернистым слоем. Л.: Химия. 1979.
176 с.
17. Rokhman B. B. Modeling and numerical investigation of
the process of vapor-oxygen gasification of solid fuels in
a vertical flow reactor under pressure. Journal of Eh-
gineering Physics and Thermopysics. 2014. Vol. 87. No.
5. Pp. 1103–1115.
18. Westbrook, C. K., Dryer, F. L. Simplified reaction mech-
anisms for the oxidation of hydrocarbon fuels in flames.
Combust. Sci. Technol. 1981. Vol. 27. Pp. 31–43.
135
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
19. 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.
20. 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.
21. Di Blasi C., Branca C. Kinetics of primary product for-
mation from wood pyrolysis. Industrial and Engineering
Chemistry Research. 2001. Vol. 40. Pp. 5547–5556.
1993. Vol. 90. Pp. 315–340.
22. Liden C., Berruti F., Scott D. A kinetic model for the pro-
duction of liquids from the flash pyrolysis of biomass.
Chemical Engineering Communications. 1988. Vol. 65.
Pp. 207–221.
23. Mohamad A. A., Karim G. A. Flow and Heat Transfer
Within Segregated Beds of Solid Particles. Journal of Po-
rous Media 2001. Vol. 4(3). Pp. 215–224.
24. Natale G., Galgano A., Di Blasi C. Modeling particle pop-
ulation balances in fluidized-bed wood gasifiers biomass
and bioenergy. 2014. Vol. 62. Pp. 123–137.
25. Di Blasi C. Modeling wood gasification in a countercur-
rent fixed-bed reactor. Environmental and energy engi-
neering. 2004. Vol. 50. Pp. 2306–2319.
26. Rokhman B. B., Vyfatnyuk V. G. The two-stage process
of thermochemical processing of lignin in a fi xed bed.
1. Technological scheme of the installation. Methods for
calculating pyrolysis gas composition. J. Eng. Phys. Ther-
mophys. 96. No. 2. 492–497 (2023).
27. С. Патанкар. Численные методы решения задач теп-
лообмена и динамики жидкости. М: Энергоатомиз-
дат. 1984. 152 с.
REFERENCES
1. BP Statistical Review of World Energy June 2016:
http://www.bp.com/statisticalreview.
2. Climate Change 2014. Synthesis Report. INTERGOVERN-
MENTAL PANEL on climate change [The Core Writing
Team: Rajendra K. Pachauri and Leo Meyer ].
28. https://www.ipcc.ch/site/assets/up-
loads/2018/05/SYR_AR5_FINAL_full_wcover.pdf
3. Chopra, S. A Review of Fixed Bed Gasification Systems
for Biomass / S. Chopra and A. Jain. Agricultural Engi-
neering International: the CIGR Ejournal. Invited Over-
view. 2007. № 5. Vol. IX. 23 p.
4. Lv, P. M. An experimental study on biomass air–steam
gasification in a fluidized bed / P. M. Lv, Z. H. Xiong,
J. Chang, C. Z. Wu, Y. Chen, J. X. Zhu. Bioresour. Technol.
2004. Vol. 95. P. 95–101.
5. Li, X. T. Biomass gasification in a circulating fluidized bed
/ X. T. Li, R. Grace, C. J. Lim, A. P. Watkinson, H. P. Chen,
J. R. Kim. Biomass Bioenergy. 2004. Vol. 26. P. 171–193.
6. Sadaka, S. Pyrolysis and Bio-Oil, Agriculture and Natural Re-
sources [Электронный ресурс] / S. Sadaka, A. A. Boateng.
Fayetteville, AK, USA. University of Arkansas. – Режим
доступа: http://www.uaex.edu/Other_Areas/publica-
tions/PDF/FSA-1052.pdf.
7. Wagenaar, B. M. Rotating Cone Bio-oil Production and Ap-
plications. In Progress in Thermochemical Biomass Conver-
sion / B. M. Wagenaar, R. H. Venderbosch, J. Carrasco,
R. Strenziok, B. J. Van der Aa; Ed. by A. V. Bridgewater.
Blackwell Science: Oxford, UK. 2001. P. 1268–1280.
8. Jones, S. B. Production of Gasoline and Diesel from Bio-
mass via Fast Pyrolysis, Hydrotreating and Hydrocrack-
ing: A Design Case / S. B. Jones, J. E. Holladay, C. Valken-
burg, D. J. Stevens, C. W. Walton, C. Kinchin, D. C. Elliott,
S. Czernik. U.S. Department of Energy: Springfield, VA,
USA. 2009. 76 p.
9. The Research Progress of Biomass Pyrolysis Processes
[Электронный ресурс] / National Resource Manage-
ment Environment Department. – Режим доступа:
www.fao.org/docrep.
10. Mohan, D. Pyrolysis of wood/biomass for bio-oil: A crit-
ical review / D. Mohan, C. U. Pittman, P. H. Steele. En-
ergy Fuels. 2006. Vol. 20. P. 848–889.
11. Bramer, E. A. Clean Liquid Fuel through Flash Pyrolysis.
In The Development of the PyRos Process: AFTUR Final
Report / E. A. Bramer, M. R. Holthuis. Enschede, The
Netherlands. University of Twente. 2005.
12. Tang, L. Plasma pyrolysis of biomass for production of
syngas and carbon adsorbent / L. Tang, H. Huang. En-
ergy Fuels. 2005. Vol. 19. P. 1174–1178.
13. Fernández, Y. Influence of feed characteristics on the
microwave-assisted pyrolysis used to produce syngas
from biomass wastes / Y. Fernández, J. A. Menéndez. J.
Anal. Appl. Pyrolysis. 2011. Vol. 91. P. 316–322.
14. Boutin, O. Flash pyrolysis of cellulose pellets submitted
to a concentrated radiation: experiments and modeling
/ O. Boutin, M. Ferrer, J. Lede. Chem. Eng. Sci. 2002.
Vol. 57. P. 15–25.
15. Roy, C. Development of a Novel Vacuum Pyrolysis Reac-
tor with Improved Heat Transfer Potential. In Develop-
ments in Thermochemical Biomass Conversion / C. Roy,
D. Blanchette, L. Korving, J. Yang, B. DeCaumia; Eds.:
A. V. Bridgewater, D. G. B. Boocock. London, UK. Blackie
Academic and Professional. 1997. P. 351–367.
16. Lavrenov V. A. Experimental study of the process of
two-stage thermal conversion of woody biomass into
synthesis gas. [Eksperimentalnoe issledovanie processa
dvuhstadijnoj termicheskoj konversii drevesnoj bio-
massy v sintez-gaz]. Dissertation for the degree of Can-
didate of Technical Sciences. M. 2016. 152 p.
136
Відновлювана енергетика. №2/2024 |Біоенергетика
17. Aerov M. E., Todes O. M., Narinsky D. A. Apparatuses with
stationary granular bed. [Apparaty so stacionarnym zern-
istym sloem]. L.: Khimiya, 1979. 176 p.
18. Rokhman B. B. Modeling and numerical investigation of
the process of vapor-oxygen gasification of solid fuels in
a vertical flow reactor under pressure. Journal of Eh-
gineering Physics and Thermopysics. 2014. Vol. 87.
No. 5. Pp. 1103–1115.
19. Westbrook, C. K., Dryer, F. L. Simplified reaction mech-
anisms for the oxidation of hydrocarbon fuels in flames.
Combust. Sci. Technol. 1981. Vol. 27. Pp. 31–43.
20. 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.
21. Ma J., Zitney S.E. CFD modeling of entrained-flow gasifi-
ers with improved physical and chemical submodels.
Energy Fuels 2012. Vol. 26. Pp. 7195–7219.
22. Di Blasi C., Branca C. Kinetics of primary product for-
mation from wood pyrolysis. Industrial and Engineering
Chemistry Research. 2001. Vol. 40. Pp. 5547–5556.
1993. Vol. 90. Pp. 315–340.
23. Liden C., Berruti F., Scott D. A kinetic model for the pro-
duction of liquids from the flash pyrolysis of biomass.
Chemical Engineering Communications. 1988. Vol. 65.
Pp. 207–221.
24. Mohamad A. A., Karim G. A. Flow and Heat Transfer
Within Segregated Beds of Solid Particles. Journal of Po-
rous Media. 2001. Vol. 4(3). Pp. 215–224.
25. Natale G., Galgano A., Di Blasi C. Modeling particle pop-
ulation balances in fluidized-bed wood gasifiers biomass
and bioenergy. 2014. Vol. 62. Pp. 123–137.
26. Di Blasi C. Modeling wood gasification in a countercur-
rent fixed-bed reactor// Environmental and energy en-
gineering. 2004. Vol. 50. Pp. 2306–2319.
27. Rokhman B. B., Vyfatnyuk V. G. The two-stage process
of thermochemical processing of lignin in a fi xed bed.
1. Technological scheme of the installation. Methods for
calculating pyrolysis gas composition. J. Eng. Phys. Ther-
mophys. 96. No. 2. 492–497 (2023).
28. Patankar S. Chislennyie metodyi resheniya zadach tep-
loobmena i dinamiki zhidkosti. [Numerical methods for
solving problems of heat transfer and fluid dynamics]
М: Energoatomizdat. 1984. 152 p.
|
| id | veorgua-article-463 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:13:32Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/15/a98acff2fc34844be7fabb5bb938c415.pdf |
| spelling | veorgua-article-4632026-07-18T06:32:20Z DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THER-MOCHEMICAL PROCESSING PART 1 REACTOR DESCRIPTION AND WORKFLOW MODELING КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ. ЧАСТИНА 1. ОПИС РЕАКТОРА Й МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ Rohman , B. B. Kobzar, S. G. fixed bed, biomass, Bagasse, thermal conductivity, pyrolysis, steam-air gasification, conductive, radiation, heat transfer, gas, temperature. нерухомий шар, біомаса, Bagasse, теплопровідність, піроліз, пароповітряна газифікація, кондук-тивний, радіаційний, теплообмін, газ, температура. We propose an original method for the production from biomass two synthetic gases of different composition and calorific value in one reactor: low-calorific gas − CO2 = 3.36 %, CO = 32.9 %, H2 = 17.65 %, H2О = 3.72 % and N2 = 42.35 % with a calorific value of 6066 kJ/nm3 and medium-calorific one − CO2 = 9.2 %, CO = 34 %, H2 = 13%, H2O = 24 %, C1.16H4 = 19 % (70 % CH4+30 % C2H4), C6H6.2O0.2 = 0.54 % and N2 = 0.23 % with a calorific value of 14581 kJ/nm3 and a low tar content. The experimental unit consists of two fixed bed pyrolyzers with an air fountain (or pneumatic transport) and a Bagasse coke-ash residue fixed bed gasifier. The fixed bed pyrolyzer consists of two concentric cylinders with electric heaters on their surfaces. The fixed bed of pellets is located in the gap between the cylinders. Two versions of the pilot plant are presented. In the first of them, rapid pyrolysis in a fixed bed occurs under the influence of three external sources of thermal energy: two electric heaters located on the walls of the cylinders and the recirculation of high-temperature pyrolysis gases, which makes it possible to achieve high heating rates of Bagasse pellets in a fixed bed − 736–1389 °С/min. To reduce the consumption of electric energy, the second variant provides a combined energy supply: 50% of electric energy and 50% of thermal energy from flue gases with a temperature of 1300 С. In the aerofoil (or pneumatic transport) mode, pyrolysis occurs due to the thermal energy of flue gases with a temperature of 850−950 °С, which heat the outer surface of the shell, and the thermal energy of the carrier medium (recirculating pyrolysis gas with a temperature of 800°С).&nbsp;&nbsp;&nbsp; Запропоновано оригінальний спосіб виробництва з біомаси в одному реакторі двох різних за складом і теплотворною здатністю синтетичних газів: низькокалорійного − CO2&nbsp;= 3,36&nbsp;%, CO = 32,9&nbsp;%, H2 = 17,65&nbsp;%, H2О = 3,72&nbsp;% та N2 = 42,35&nbsp;% з тепло-творною здатністю 6066&nbsp;кДж/нм3&nbsp;− та середньокалорійного&nbsp;− CO2 = 9,2&nbsp;%, CO = 34&nbsp;%, H2 = 13&nbsp;%, H2O = 24&nbsp;%, C1.16H4 = 19&nbsp;% (70&nbsp;% CH4 + 30&nbsp;% C2H4), C6H6.2O0.2 = 0,54&nbsp;% та N2 = 0,23&nbsp;% з калорійністю 14&nbsp;581&nbsp;кДж/нм3 з низьким вмістом смол. Експериментальна установка складається з двох піролізерів з фіксованим шаром і аерофонтаном (або пневмотранспортом) і газифікатора коксозольного залишку Bagasse в нерухомому шарі. Піролізер з фіксованим шаром складається з двох концентричних циліндрів, на поверхнях яких розміщені електронагрівачі. Нерухомий шар частинок розташовується в зазорі між циліндрами. Представлено два варіанти дослідної установки. У першому з них швидкий піроліз у фіксованому шарі відбувається під впливом трьох зовнішніх джерел теплової енергії: двох електронагрівачів, розташованих на стінках циліндрів, і рециркуляції високотемпературних піролізних газів, унаслідок чого вдається досягти високих швидкостей прогріву частинок Bagasse у нерухомому шарі − 736–1389 °С/хв. Для зменшення споживання електричної енергії в другому варіанті передбачено комбіноване підведення енергії: 50 % електричної енергії та 50 % теплової енергії димових газів з температурою 1300 °С. У режимі аерофонтана (або пневмотранспорту) піроліз відбувається за рахунок теплової енергії димових газів з температурою 850−950 °С, які обігрівають зовнішню поверхню обичайки, і теплової енергії несучого середовища (рециркулюючий піролізний газ з температурою 800 °С).&nbsp;&nbsp;&nbsp; Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024-07-01 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/463 10.36296/1819-8058.2024.2(77).123-136 Vidnovluvana energetika ; No. 2(77) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 123-136 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2(77) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 123-136 Відновлювана енергетика; № 2(77) (2024): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 123-136 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2024.2(77) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/463/372 Copyright (c) 2024 B. B. Rohman , S. G. Kobzar https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | fixed bed biomass Bagasse thermal conductivity pyrolysis steam-air gasification conductive radiation heat transfer gas temperature. Rohman , B. B. Kobzar, S. G. DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THER-MOCHEMICAL PROCESSING PART 1 REACTOR DESCRIPTION AND WORKFLOW MODELING |
| title | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THER-MOCHEMICAL PROCESSING PART 1 REACTOR DESCRIPTION AND WORKFLOW MODELING |
| title_alt | КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ. ЧАСТИНА 1. ОПИС РЕАКТОРА Й МОДЕЛЮВАННЯ РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ |
| title_full | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THER-MOCHEMICAL PROCESSING PART 1 REACTOR DESCRIPTION AND WORKFLOW MODELING |
| title_fullStr | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THER-MOCHEMICAL PROCESSING PART 1 REACTOR DESCRIPTION AND WORKFLOW MODELING |
| title_full_unstemmed | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THER-MOCHEMICAL PROCESSING PART 1 REACTOR DESCRIPTION AND WORKFLOW MODELING |
| title_short | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THER-MOCHEMICAL PROCESSING PART 1 REACTOR DESCRIPTION AND WORKFLOW MODELING |
| title_sort | design features of the experimental unit and numerical studies of bagasse ther-mochemical processing part 1 reactor description and workflow modeling |
| topic | fixed bed biomass Bagasse thermal conductivity pyrolysis steam-air gasification conductive radiation heat transfer gas temperature. |
| topic_facet | fixed bed biomass Bagasse thermal conductivity pyrolysis steam-air gasification conductive radiation heat transfer gas temperature. нерухомий шар біомаса Bagasse теплопровідність піроліз пароповітряна газифікація кондук-тивний радіаційний теплообмін газ температура. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/463 |
| work_keys_str_mv | AT rohmanbb designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbagassethermochemicalprocessingpart1reactordescriptionandworkflowmodeling AT kobzarsg designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbagassethermochemicalprocessingpart1reactordescriptionandworkflowmodeling AT rohmanbb konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina1opisreaktorajmodelûvannârobočogoprocesu AT kobzarsg konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina1opisreaktorajmodelûvannârobočogoprocesu |