DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 2. ANALYSIS OF THE PYROLYSIS PROCESS IN A FIXED BED APPARATUS

Using the biomass pyrolysis model built in the first part of the work, the Bagasse and Wood Birch thermolysis process was investigated. Different variants of bed heating were considered by: a) electric heating of the outer and inner surfaces of the pyrolyzer; b) electric heating of the outer surface...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2024
Hauptverfasser: Rohman , B., Kobzar , S. G.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainisch
Veröffentlicht: Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024
Schlagworte:
Online Zugang:https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/481
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Vidnovluvana energetika
Завантажити файл: Pdf

Institution

Vidnovluvana energetika
_version_ 1871103819762368512
author Rohman , B.
Kobzar , S. G.
author_facet Rohman , B.
Kobzar , S. G.
author_institution_txt_mv [ { "author": "B. Rohman ", "institution": "Institute of Thermal Energy Technologies of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine; Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "S. G. Kobzar ", "institution": "Institute of Technical Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine" } ]
author_sort Rohman , B.
baseUrl_str https://ve.org.ua/index.php/journal/oai
collection OJS
datestamp_date 2026-07-18T06:32:20Z
description Using the biomass pyrolysis model built in the first part of the work, the Bagasse and Wood Birch thermolysis process was investigated. Different variants of bed heating were considered by: a) electric heating of the outer and inner surfaces of the pyrolyzer; b) electric heating of the outer surface and heating of the inner surface of the pyrolyzer with combustion products; c) electric heating of the outer surface of the pyrolyzer and combined heating of the inner surface: in the first 20 s electric heating is used, further − thermal energy of combustion products with a temperature of 1300 °С. It is shown that: a) for fast pyrolysis it is necessary at the initial moments of time τ = 0−1 s to bring to the outer and inner walls of the pyrolyzer large heat fluxes: qw+ = 203.2 and qw− = 187.16 kJ/(s·m2), respectively. The dependences qw(τ) necessary for regulating the temperatures of the pyrolyzer walls were obtained; b) at the outlet from the Bagasse pellet bed the following gas composition at a temperature of 736 °С (on dry mass) is obtained: 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 % with a caloric value of 19185 kJ/nm3; c) at temperature 850°С the gas composition: CO2 = 7,13 %; CO = 51,4 %; H2 = 15,6 %; C1,16H4 = 23,71 %; C6H6,2O0,2 = 2,2 % satisfactorily agrees with the experimental data Zanzi R., obtained at temperature 850 °С: CO2 = 9 %; CO = 56,2 %; H2 = 15,70 %; CH4 = 12 % і C2H4 = 6,9 %; d) the main problem of Bagasse fast pyrolysis organizing, is a narrow intertube gap of 35 mm, where the bed is located; e) to expand the gap to 75 mm keeping high heating bed rates, it is necessary to use recirculation of pyrolysis gases with temperature 800 °С.   
doi_str_mv 10.36296/1819-8058.2024.3(78).153-165
first_indexed 2025-07-17T11:39:39Z
format Article
fulltext 153 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика УДК 532.529: 532.517.4 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2024.3(78)153-165 КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ. ЧАСТИНА 2. АНАЛІЗ ПРОЦЕСУ ПІРОЛІЗУ В АПАРАТІ З ФІКСОВАНИМ ШАРОМ Отримано 15 квіт. 2024 р.; рекомендовано до публікації 16 вер. 2024 р. Доступно онлайн 01 жов. 2024 р. Рохман Б. Б.1, Кобзар С. Г.2 Автор для кореспонденції: Рохман Болеслав, e-mail: brolene@yahoo.com З використанням побудованої в першій частині роботи мо- делі піролізу біомаси проведено дослідження процесу тер- молізу Bagasse і Wood Birch. Розглядалися різні варіанти про- гріву шару за рахунок: а) електронагріву зовнішньої та внутрішньої поверхонь піролізера; б) електронагріву зовні- шньої поверхні та обігріву внутрішньої поверхні піролізера продуктами згоряння; в) електронагріву зовнішньої поверхні піролізера та комбінованого обігріву внутрішньої поверхні: у перші 20 с використовується електронагрів, далі − теплова енергія продук- тів згоряння з температурою 1300 С. Показано, що: а) для швидкого піролізу необхідно в початкові моменти часу τ = 0−1 c підвести до зовнішньої та внутрішньої стінок піролізера великі потоки тепла: qw+ = 203,2 та qw− = 187,16 кДж/(с·м2), відповідно. Отримано залежності qw(τ), необхідні для регулю- вання температур стін піролізера; б) на виході з шару частинок Bagasse отримують такий склад газу за температури 736 С (на суху масу): 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 калорійністю19 185 кДж/нм3; в) за температури 850 С склад газу: CO2 = 7,13 %; CO = 51,4 %; H2 = 15,6 %; C1,16H4 = 23,71 %; C6H6,2O0,2 = 2,2 % − задовільно узгоджу- ється з дослідними даними Zanzi R., отриманими при температурі 850 С: CO2 = 9 %; CO = 56,2 %; H2 = 15,70 %; CH4 = 12 % і C2H4 = 6,9 %; г) основною проблемою організації швидкого піролізу Bagasse є вузький міжтрубний проміжок – 35 мм, де розташовується шар; д) для розширення проміжку до 75 мм при збереженні високих швидкостей прогріву шару необхідно використовувати рециркуляцію піролізних газів з температурою 800 С. Ключові слова: нерухомий шар, біомаса, Bagasse, теплопровідність, піроліз, пароповітряна газифіка- ція, кондуктивний, радіаційний, теплообмін, газ, температура. DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 2. ANALYSIS OF THE PYROLYSIS PROCESS IN A FIXED BED APPARATUS Received Apr. 15, 2024; accepted Sept. 16, 2024 Available online Oct. 01, 2024 Rohman B. B1, Kobzar S. G.2 Author for correspondence: Rokhman Boleslav, e-mail: brolene@yahoo.com Using the biomass pyrolysis model built in the first part of the work, the Bagasse and Wood Birch thermolysis process was in- vestigated. Different variants of bed heating were considered by: a) electric heating of the outer and inner surfaces of the py- rolyzer; b) electric heating of the outer surface and heating of the inner surface of the pyrolyzer with combustion products; c) electric heating of the outer surface of the pyrolyzer and 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; Інститут від- новлюваної енергетики НАН України, м. Київ, Україна 2 Інститут технічної теплофізики НАН Укра- їни, м. Київ, Україна 1 Dr. of Tech. Science https://orcid.org/0000-0002-1270-6102 2 Сand. of Tech. Science https://orcid.org/ 0000-0002-8615-4400 1 Institute of Thermal Energy Technologies of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine; Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine 2 Institute of Technical Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine 154 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика combined heating of the inner surface: in the first 20 s electric heating is used, further − thermal energy of combustion products with a temperature of 1300 С. It is shown that: a) for fast pyrolysis it is necessary at the initial moments of time τ = 0−1 s to bring to the outer and inner walls of the pyrolyzer large heat fluxes: qw+ = 203.2 and qw− = 187.16 kJ/(s·m2), respectively. The dependences qw(τ) necessary for regulating the tempera- tures of the pyrolyzer walls were obtained; b) at the outlet from the Bagasse pellet bed the following gas com- position at a temperature of 736 С (on dry mass) is obtained: 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 % with a caloric value of 19185 kJ/nm3; c) at temperature 850С the gas composition: CO2 = 7,13 %; CO = 51,4 %; H2 = 15,6 %; C1,16H4 = 23,71 %; C6H6,2O0,2 = 2,2 % satisfactorily agrees with the experimental data Zanzi R., obtained at temperature 850 С: CO2 = 9 %; CO = 56,2 %; H2 = 15,70 %; CH4 = 12 % і C2H4 = 6,9 %; d) the main problem of Bagasse fast pyrolysis organizing, is a narrow intertube gap of 35 mm, where the bed is located; e) to expand the gap to 75 mm keeping high heating bed rates, it is necessary to use recirculation of pyrolysis gases with temperature 800 С. Keywords: fixed bed, biomass, Bagasse, thermal conductivity, pyrolysis, steam-air gasification, conductive, ra- diation, heat transfer, gas, temperature Вступ. Використання деревної біомаси в енергетиці – це такі способи переробки, за допомогою яких відбува- ється цілеспрямоване перетворення біохімічної енергії деревної біомаси на інші види енергії: теплову, механі- чну та електричну, а також на хімічну енергію синтетич- них палив. Сьогодні методи переробки деревної біо- маси для використання в енергетиці можна умовно розділити на дві групи: термохімічні та біохімічні. До пе- рших належать спалювання, газифікація та піроліз. До других – анаеробне зброджування і ферментація. Іта- лійська компанія ENEL Produzione з 1998 року має уста- новку швидкого піролізу продуктивністю до 650 кг/год біомаси, що складається з двох реакторів киплячого шару і працює за технологією RTP (Rapid Thermal Processing) компанії Ensyn (Кана). Газоподібні продукти, які отримують за RTP-технологією, придатні для пря- мого спалювання в котлах. Інша італійська компанія, Pasquali, експлуатує установку з циркулюючим кипля- чим шаром продуктивністю 25 кг/год. За оптимальних умов вихід продуктів піролізу досягає 65 % маси сухої сировини [1]. Широкого поширення набуває технологія абляційного піролізу, який проводиться під тиском із впливом гарячого потоку піску. Нагрів частинок палива здійснюється через нагріту теплопередавальну повер- хню при високій швидкості подачі біомаси, що ковзає по ній. Перший абляційний конусний реактор швидкого пі- ролізу був розроблений у 1989–1993 роках в універси- теті Twente (Нідерланди) [2]. Для опису процесу піролізу використовують різні кінетичні моделі, що відрізня- ються кількістю або незалежних паралельних (зазвичай від однієї до трьох), або незалежних послідовних (хара- ктерних для різних температурних інтервалів) хімічних реакцій, відповідальних за вихід летких [3, 4]. Найпрос- тішою моделлю опису термічного розкладання органіч- ної сировини рослинного походження є одноканальна модель, в якій константа швидкості реакції найчастіше описується Арреніусівською залежністю [5]. У [6] розгля- нуто модель, що складається з двох послідовних реак- цій розкладання органічної сировини (рисового луш- пиння та бамбукової тирси). Було виділено дві основні зони терморозпаду: перша – з температурою 200– 400 °С і друга – з температурою понад 400 °С. Вміст основних органічних речовин у деревині залежить від породи: у хвойних породах – 48–56 % целюлози, 26– 30 % лігніну, 23–26 % геміцелюлоз, які містять 10–12 % пентозанів і близько 13 % гексозанів; у листяних поро- дах – 46–48 % целюлози, 19–28 % лігніну, 26–35 % гемі- целюлоз, які містять 23–29 % пентозанів і 3–6 % гексоза- нів [7]. Автори статті [8] проводять кінетичний аналіз піролізу рослинної сировини, описуючи незалежний ро- зпад чотирьох основних компонентів сировини (геміце- люлози, целюлози, лігніну, екстрактивних речовин) з пе- ршим порядком реакції для кожного процесу. В [9] досліджується вплив темпу нагрівання біомаси від 1 до 100 °С/хв на температурні піки розкладання зразків. З підвищенням темпу нагріву відбувається зміщення піків у бік вищих температур, що обумовлюється наявністю температурного градієнта поверхні зразка, тобто змен- шенням часу реакції. Представлені висновки також до- бре узгоджуються з результатами схожих досліджень, наведених у [10–12]. У першій частині цієї роботи наведено опис устано- вки, побудовано нестаціонарні моделі піролізу біомаси та газифікації її коксового залишку в нерухомому шарі, сформульовано граничні умови для параболічних і зви- чайних диференціальних рівнянь. Друга частина роботи присвячена динаміці виходу летких речовин із щільно упакованого шару частинок біомаси 6, розташованого між двома концентричними циліндрами 7 і 53 (рис. 1 з [13]). Процес піролізу у фіксованому шарі відбувається за ви- соких температур під впливом двох (або трьох) зовніш- ніх джерел теплової енергії. Розглядаються такі схеми піролізу з використанням: а) двох електронагрівачів, ро- зташованих на поверхнях нагріву циліндрів 7 і 53; б) еле- ктронагрівача, розташованого на поверхнях нагріву труби 53, і тепла продуктів згоряння, які омивають трубу 7; в) електрообігріву стінки труби 53 та комбінованого обігріву (електрообігрів + тепло продуктів згоряння) по- верхні циліндра 7; г) двох електронагрівачів та рецирку- ляційного піролізного газу з температурою 800 °С. Як ви- хідні палива використовувалися Bagasse і Wood Birch, елементарні склади яких представлені в табл. 1. 155 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика Таблиця 1. Елементарний склад біомаси Table 1. 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 Постановка задачі. Початкові умови для піролізера з фік- сованим шаром 6 (рис. 1 з [13]). Варіант I: Hbed = 450 мм, δ0 = 10 мм, ε = 0,477, ρp0 = 806,6 кг/м3 (на суху масу), tp0 = 100 С, D = 220 мм, d = 150 мм. Склад легкого газу (у ма- сових частках): CO = 0,464; CO2 = 0,101; H2 = 0,01; H2O = 0,23; C6H6.2O0.2 = 0,058 і C1,16H4 = 0,137. У варіанті I розгля- даються дві схеми підведення теплової енергії з викорис- танням: а) двох електронагрівачів; б) електронагрівача, що обігріває трубу 53, і тепла продуктів згоряння, що оми- вають трубу 7. Варіант II відрізняється від варіанта I підве- денням теплової енергії до поверхні внутрішньої труби 7. У перші 20 с для підтримання температури tp,II (τ, r = 0,075 м) = 800 С на поверхні труби 7 використовують електричну енергію, а в діапазоні 20 < τ ≤ 60−64 с − теп- лову енергію продуктів згоряння з постійною температу- рою tдим.газ = 1300 С і швидкістю газів uдим.газ0 = 50 м/с. У варіанті III для піролізу використовуються два електрона- грівачі. Варіант III відрізняється від варіантів I і II розміром діаметра труби 53 − DIII = 230 мм. Як паливо у варіантах I−III використовується Bagasse (див. табл. 1). У варіанті IV використовується біомаса марки Wood Birch зі щільністю ρp0 = 617,5 кг/м3 (на суху масу). Схема піролізу відповідає варіанту II, початкові та граничні умови − варіантам I і II. Аналіз результатів розрахунку процесу піролізу. Про- аналізуємо спочатку динаміку процесу піролізу Bagasse за рахунок теплової енергії: а) двох електронагрівачів, розташованих на поверхнях нагріву циліндрів 53 і 7 діа- метрами D = 220 мм і d = 150 мм, відповідно (варіант I, a; рис. 1, a з [13]); б) електронагрівача, розташованого на поверхні циліндра 53, і продуктів згоряння, що омива- ють внутрішню поверхню труби 7 (варіант I, b). Для ор- ганізації в щільно упакованому шарі 6 швидкого піролізу необхідно в початкові моменти часу підвести до повер- хонь нагріву труб 7 і 53 дуже великі потоки теплової ене- ргії: за τ = 1 с − qr=0.11+ = 203,2 кДж/(с·м2) та qr=0.075- = 187,16 кДж/(с·м2) (криві 1 та 2 на рис. 1). Рис. 1. Розподіл зовнішніх теплових потоків і температури димових газів (a) та об’ємних часток компонентів змішаного піролізного газу на виході з піролізера (b) залежно від часу для варіанту I: 1 – тепловий потік, що падає на поверхню зовнішньої труби – qr = 0,11+; 2 – тепловий потік, що падає на поверхню внутрішньої труби – qr = 0,075-; 3 – температура димових газів; 4 – CO; 5 – H2О; 6 – C1,16H4; 7 – H2; 8 – CO2; 9 – C6H6,2O0,2. Fig. 1. Distribution of external heat fluxes and temperature of flue gases(a) and volume fractions of components of the mixed pyrolysis gas at the outlet of the pyrolyzer(b) as a function of time for variant I: 1 – heat flux incident on the sur- face of the outer tube – qr = 0.11+; 2 – heat flux incident on the surface of the inner tube – qr = 0.075-; 3 – flue gas tempera- ture; 4 – CO; 5 – H2О; 6 – C1.16H4; 7 – H2; 8 – CO2; 9 – C6H6.2O0.2. Для цього через ніхромові спіралі 4 і 5 діаметром 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 (рис. 1, a з [13]). З рис. 1 видно, що з плином часу відбувається падіння теплових потоків qr=0,11+ і qr=0,075-. Це можна пояснити виходячи з аналізу другого рівняння (21) [13] з урахуванням того, що ліва частина рівняння, що розглядається, дорівнює нулю (температури повер- хонь нагріву циліндрів 53 і 7 постійні). У цьому разі друге рівняння (21) [13] перетворюється до вигляду:   0=   rq rr . (1) Проінтегруємо рівняння теплопереносу дисперсної фази (1) по половині контрольних об’ємів (0,11-∆ r) ≤ r ≤ 0,11 м і 0,075 ≤ r ≤ (0,075+∆ r) м, отримаємо: 156 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика )( )(λ 11,011,0 1τ 11,0p 1τ 11,0p 1/2τ српір,еф,1τ 11,0 rrr rrr r rr tt q −== + −= + = + + += − − = , )( )(λ 075,0075,0 1τ 075,0p 1τ 075,0p 1/2τ српір,еф,1τ 075,0 =+= + += + = + + −= − − = rrr rrr r rr tt q . (2) Тепловий потік, сформований на поверхні циліндра 7 (рис. 1, a з [13]), за рахунок обігріву продуктами зго- ряння визначається як: )(α 1τ 0,075 p 1τ газ дим. 1/2τ -0,075 1τ -0,075 + = ++ = + = −= rrr ttq . (3) З використанням (3) друге рівняння (2) набуває вигляду: )( )(λ )(α 075,0075,0 1τ 075,0p 1τ 075,0p 1/2τ српір,еф,1τ 0,075 p 1τ дим.газ 1/2τ -0,075 =+= + += + = + + = ++ = − − =− rrr rrr rr rr tt tt . (4) З рівнянь (2) – (4) випливає, що зі зростанням темпера- тур частинок 1τ 11,0 + −= rrt і 1τ 075,0 + += rrt з плином часу в при- стінкових зонах, що примикають до труб 53 і 7 (рис. 1, a з [13]), відбувається зниження зовнішніх теплових пото- ків і температури димових газів (криві 1–3 на рис. 1, a). Таким чином, отримано залежністі qw+(τ) і qw−(τ), за до- помогою яких можна регулювати значення qw+ і qw− в усьому діапазоні процесу піролізу 0 < τ < 60 с у фіксова- ному шарі 6, тим самим перешкоджаючи перегріву труб 53 і 7, виготовлених зі сталі X20H14C2. Регулювання ве- личин теплових потоків здійснюється шляхом зміни сили струму I і напруги U. Для контролю температур сті- нок циліндрів 53 і 7 необхідно оснастити дослідну уста- новку КВП і автоматикою. Регулювати температуру про- дуктів згоряння tдим.газ(τ) у вузькому інтервалі 4 < τ < 60 с, де значення функції tдим.газ(τ) змінюється від 1716 до 1016,5 °С доволі важко через велику інертність (у часі) процесу горіння в топковій камері. Крім того, за високих температур продуктів згоряння, 1716 °С, доведеться фу- терувати поверхні нагріву труб 7 і 52, що призведе до іс- тотного зменшення теплового потоку, що проходить че- рез поверхню труби 7. Тому в зоні високих температур tдим.газ = 1716−1288 °С в інтервалі 4 < τ < 20 с кращим для варіантів I−III виявляється електрообігрів труби 7, а на ділянці 20 < τ < 60 с у варіантах I і III використовують еле- ктрообігрів, у варіанті II − продукти згоряння з постійною температурою 1300 °С (рис. 1 з [13]). Таке технічне рі- шення, прийняте у варіанті II, дає змогу скоротити спо- живання електроенергії на власні потреби та зменшити час прогрівання шару, про що свідчить рис. 2. Рис. 2. Розподіл температури частинок Bagasse за перерізом шару для варіантів I(a), II(b) і III(c) залежно від часу, с: 1 – 4; 2 – 12; 3 – 24; 4 – 36; 5 – 48; 6 – 52; 7 – 56; 8 – 60; 9 – 64; 10 – 76 Fig.1 Temperature distribution of Bagasse particles along the bed cross-section for variants I(a), II (b) and III(c) as a func- tion of time, s: 1 – 4; 2 – 12; 3 – 24; 4 – 36; 5 – 48; 6 – 52; 7 – 56; 8 – 60; 9 – 64; 10 – 76 З рис. 2 a, b видно, що температура частинок Bagasse в точці r = 0,075 м в інтервалі 20 < τ ≤ 64 с зростає з 800 до 958 С (криві 2−9 на рис. 2, b), унаслідок чого мінімальна температура частинок у шарі у варіанті II – tp,minII(τ = 60, r = 0,0935) = 713 С виявляється вищою, ніж у варіанті I − tp,minI(τ = 60, r = 0,09065) = 646 С (криві 8 на рис. 2 a, b), що спричинило підвищення швидкості прогрівання шару з 736 до 802 С/хв. (швидкості прогрівання шару розраховуються завдяки середній температурі части- нок). 157 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика На рис. 1, b наведено об’ємні частки компонентів зміша- ного неочищеного піролізного газу, що залишає щільно упакований шар 6 (рис. 1 з [13]) з температурою tg,срI = 736 С: CO2 = 9,2 %, CO = 34 %, H2 = 13 %, H2O = 24 %, C1,16H4 = 19 % (70 % CH4 + 30 % C2H4), C6H6,2O0,2 = 0,54 % й N2 = 0,23 % з теплотворною здатністю 14 581 кДж/нм3 і низьким вмістом смол. Для підвищення калорійності газу необхідно сконденсувати H2O в теплообміннику 14 (рис. 1 з [13]). В результаті: CO2 = 12,1 %, CO = 44,70 %, H2 = 17,2 %, C1,16H4 = 24,95 % (70 % CH4 + 30 % C2H4), C6H6,2O0,2 = 0,712 % й N2 = 0,3 % з калорійністю 19 185 кДж/нм3. Отриманий склад очищеного піроліз- ного газу на виході з піролізера складається із суми генераторних газів, що виділилися в різних елементар- них об’ємах піролізера Hbedrdr за різних значень темпе- ратури tpI (рис. 2, a), тому цій склад відрізняється від складу газів, що виділилися в локальному об’ємі Hbedrdr, що випливає з рис. 3 (порівняти рис. 1, b і рис. 3). Видно, що за високих температур шару, 850 С, склад зміша- ного піролізного газу в перерахунку на суху масу − CO2 = 7,13 %, CO = 51,4 %, H2 = 15,6 %, C1,16H4 = 23,71 % (CH4 = 16,6 % і C2H4 = 7,11 %) і C6H6,2O0,2 = 2,2 %, задовільно уз- годжується з результатами експерименту зі швидкого піролізу Bagasse за температури 850 С − CO2 = 9 %, CO = 56,2 %, H2 = 15,70 %, CH4 = 12 % и C2H4 = 6,9 %, наведених у [14]. Рис. 3. Розподіл об’ємних часток компонентів змішаного піролізного газу (первинного + вторинного) CO2 (a), CO (b), H2 (c), H2О (d), C1,16H4 (e), C6H6,2O0,2 (f) за перерізом нерухомого шару частинок Bagasse для варіанта I залежно від часу, с: 1 – 4; 2 – 12; 3 – 24; 4 – 36; 5 – 48; 6 – 52; 7 – 64 Fig. 3. Distribution of volume fractions of mixed pyrolysis gas components (primary + secondary) CO2 (a), CO (b), H2 (c), H2О (d), C1.16H4 (e), C6H6.2O0.2 (f) over the cross-section of the Bagasse fixed particle bed for variant I as a function of time, s: 1 – 4; 2 – 12; 3 – 24; 4 – 36; 5 – 48; 6 52; 7 – 64 У першій частині роботи зазначалося, що склад первин- них газових компонентів )(CO gtn , )(SH2 gtn , )( 2CO gtn , )( 2H gtn , )(OH2 gtn і )( 41.16HC gtn залежить від темпе- ратури фіксованого шару (формули (25) з [13]), що підт- верджується рис. 4 і рис. 5. З рис. 4 і 5 видно, що в елементарному об’ємі піролізера Hbed(r+∆r)∆r частки компонентів піролізного газу, що ви- ділилися у фіксованому часовому інтервалі τ+∆τ, відріз- няються від часток компонентів газу попереднього еле- ментарного об’єму Hbed(r−∆r)∆r, а також від часток компонентів газу фіксованого об’єму Hbed(r+∆r)∆r у різ- них часових інтервалах τ+∆τ та τ−∆τ, що пов’язано з не- рівномірним розподілом температур у часі і за перері- зом фіксованого шару 6 (рис. 1 з [13]). В інтервалі 0 < τ < 20 с значення компонентів CO і C1,16H4 у точці r = 0,075 м у варіантах I і II рівні між собою, відповідно: ICO,1,R (τ, r) = IICO,1,R (τ, r) = 35,6 % і I,1,HC 41,16 R (τ, r) = II,1,HC 41,16 R (τ, r) = 21,66 % (криві 1 і 2 на рис. 4, 5, e, f), оскільки умови обі- гріву поверхні труби 7 були однаковими для двох варіа- нтів (рис. 1 з [13]). На ділянці 20 < τ < 60 с умови обігріву труби 7 у варіантах I і II відрізняються один від одного: у першому варіанті використовується електронагрів, у другому − продукти згоряння з постійною температу- рою 1300 С. У цьому разі температура частинок у точці r = 0,075 м у варіанті II виявляється на 130 С вищою, ніж у варіанті I (рис. 2, a, b), унаслідок чого значення газових компонентів CO і C1,16H4 у варіанті II підвищилися з 35,6 до 40,6 % і з 21,66 до 34 %, відповідно. Зіставимо склади первинного піролізного газу для варіантів I і II за τ = 20 с і середніх температур шару від 736 до 802 °С, відповідно (рис. 4, 5): Варіант I − CO2 = 8,6 %, CO = 32,6 %, H2 = 20,9 %, H2O = 20,9 %, C1,16H4 = 16,68 % (70 % CH4 + 30 % C2H4) і N2 = 0,346 %; варіант II − CO2 = 8,43 %, CO = 36,03 %, H2 = 12,05 %, H2O = 20,545 %, C1,16H4 = 22,6 % (70 % CH4 + 158 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика 30 % C2H4) і N2 = 0,358 %. Основною відмінністю у скла- дах первинного піролізного газу є те, що у варіанті I зна- чно менший вміст C1,16H4 у газовій суміші та суттєво бі- льша кількість водню, ніж у варіанті II. Беручи до уваги, що калорійність H2 істотно нижча за C1,16H4, можна з упе- вненістю стверджувати, що теплотворна здатність пер- винного піролізного газу у варіанті I набагато нижча, ніж у варіанті II. Рис. 4. Розподіл об’ємних часток компонентів первинного піролізного газу N2 (a), H2О (b), H2 (c), CO2 (d), CO (e), C1,16H4 (f) за перерізом нерухомого шару частинок Bagasse для варіанта I залежно від часу, с: 1 – 4; 2 − 12; 3 – 24; 4 – 36; 5 – 48; 6 – 52; 7 – 64 Fig. 4. Distribution of volume fractions of primary pyrolysis gas components газу N2 (a), H2О (b), H2 (c), CO2 (d), CO (e), C1.16H4 (f) over the cross-section of the Bagasse fixed particle bed for variant I as a function of time, s: 1 – 4; 2 – 12; 3 – 24; 4 – 36; 5 – 48; 6 – 52; 7 – 64 Рис. 5. Розподіл об’ємних часток компонентів первинного піролізного газу N2 (a), H2О (b), H2 (c), CO2 (d), CO (e), C1,16H4 (f) за перерізом нерухомого шару частинок Bagasse для варіанта II залежно від часу, с: 1 – 4; 2 – 12; 3 – 24; 4 – 36; 5 – 52 Fig. 5. Distribution of volume fractions of primary pyrolysis gas components газу N2 (a), H2О (b), H2 (c), CO2 (d), CO (e), C1.16H4 (f) over the cross-section of the Bagasse fixed particle bed for variant II as a function of time, s: 1 – 4; 2 – 12; 3 – 24; 4 – 36; 5 – 52 Одним з головних параметрів, що впливають на швид- кість прогрівання шару, є густина частинок біомаси. Гус- тина частинок Bagasse в перерахунку на суху масу 806,6 кг/м3 в 1,3 раза більша за густину сухої деревини Wood Birch, отже, швидкість прогрівання шару у варіанті IV буде вищою, ніж у варіанті II. Дослідимо процес про- лізу Wood Birch у дослідній установці за схемою, наве- деною у варіанті II: у перші 20 с для підтримання темпе- ратури tp,IV(τ, r = 0,075 м) = 800 С на поверхні труби 7 використовується електрична енергія, а в діапазоні 20 с 159 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика < τ − теплова енергія продуктів згоряння з постійною те- мпературою tдим.газ = 1300 С. З рис. 6, a видно, що через τ = 44 с мінімальна температура частинок у шарі дорів- нює tp,minIV = 674,3 С. При цьому середня температура шару дорівнює 778 С, а швидкість прогрівання шару у варіанті IV − 1061С/хв виявляється в 1,32 раза вищою, ніж у варіанті II. Порівняємо склади первинного піроліз- ного газу для варіантів IV і II за τ = 20 с і середніх темпе- ратур шару від 778 до 802 С, відповідно. Варіант II − CO2 = 8,43 %, CO = 36,03 %, H2 = 12,05 %, H2O = 20,545 %, C1.16H4 = 22,6 % і N2 = 0,358 %; варіант IV − CO2 = 9,04 %, CO = 37,25 %, H2 = 9,88 %, H2O = 22,05 %, C1,16H4 = 21,6 % і N2 = 0,191 % (рис. 5 та 6). Видно, що наведені у варіантах II і IV склади первинного піролізного газу близькі. У пе- рерахунку на суху масу склад первинного піролізного газу у варіанті IV при τ = 20 с і середній температурі 778 °С можна представити у вигляді: CO2 = 11,6 %, CO = 47,8 %, H2 = 12,670 %, C1,16H4 = 27,71 % (CH4 = 19,4 % і C2H4 = 8,31 %) та N2 = 0,245 %. Наведені результати розрахунків добре узгоджуються з дослідними даними, отриманими під час піролізу деревини за температури 750 С [14]: CO2 = 13,4 %, CO = 47,0 %, H2 = 10,1 %, CH4 = 19,8 % і C2H4 = 9,70 %. Зіставимо склади змішаного піролізного газу за високих температур процесу (крива 9 на рис. 2, a і крива 4 на рис. 6, a) для варіантів I і IV при τ = 64 с. (рис. 3): CO2 = 5,11 %, CO = 36,81 %, H2 = 11,14 %, H2O = 28,369 %, C1,16H4 = 16,98 % і τ = 44 с (рис. 7): CO2 = 5,11 %, CO = 36,81 %, H2 = 11,14 %, H2O = 28,369 % C1,16H4 = 16,98 %. Видно, що для двох різних сортів біомаси Bagasse і Wood Birch склади компонентів змішаних піролізних газів рівні. У [13] зазна- чається, що деревна речовина в середньому містить бли- зько 49 % вуглецю, 44 % кисню, 6 % водню, а також бли- зько 0,5 % азоту і 0,1 % сірки (на суху беззольну масу), елементний склад для деревини різних порід практично однаковий. Цей висновок підтверджується елементар- ними складами, наведеними в табл. 1, що і пояснює рів- ність складів піролізних газів для варіантів I і IV. Рис. 6. Розподіл температур частинок Wood Birch (a) і об’ємних часток компонентів первинного піролізного газу N2 (b), H2О (c), H2 (d), CO2 (e), CO (f), C1,16H4 (g) за перерізом нерухомого шару для варіанта IV залежно від часу, с: 1 – 4; 2 – 24; 3 – 36; 4 – 44 Fig. 6. Temperature distribution of Wood Birch particles(a) and volume fractions of primary pyrolysis gas components N2 (b), H2О (c), H2 (d), CO2 (e), CO (f), C1.16H4 (g) along the cross-section of the fixed bed for variant IV as a function of time, s: 1 – 4; 2 – 24; 3 – 36; 4 – 44 На відміну від піролізера з одностороннім обігрівом, де те- пло від зовнішнього джерела передається шару біомаси тільки через огороджувальну стінку реторти [15], тут обіг- рів шару Wood Birch відбувається шляхом теплопередачі через зовнішню і внутрішню стінки піролізера за рахунок променистого, кондуктивного і конвективного теплопере- носу. Тому процес швидкого розпаду активної частини Wood Birch, що виділилася, відбувається не в одній присті- нковій області [15], а в двох пристінкових зонах (r = 0,11 м и r = 0,075 м), де температури частинок шару досягають максимальних значень. Згідно з трьома паралельними ре- акціями активна частина біомаси розкладається на пер- винний піролізний газ, char і смолу [13]. Остання під впли- вом вторинної реакції смола→газ і високих температур швидко перетворюється на вторинний піролізний газ і char. З рис. 8, b−d видно, що в пристінкових зонах, де швидкість реакції смола→газ досягає максимальних значень, частки змішаного піролізного газу і char відповідно дорівнюють: при r = 0,11 м − birch IVсмол,γ = 0, birch IVg,γ = 97,0 % і birch IVchar,γ = 3 %; 160 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика при r = 0,075 м − birch IVсмол,γ = 0, birch IVg,γ = 99 % і birch IVchar,γ = 1 %. У точці r = 0,09 м і τ = 40 с: γbirch,IV = 0, birch IVсмол,γ = 52 %, birch IVg,γ = 23 % і birch IVchar,γ = 7,51 %. На ділянці 0,0875 < r ≤ 0,09 м від- бувається інтенсивний процес крекінгу смоли та розкладання активної частки біомаси, яка виділилася, що тягне за собою зменшення частки смоли з 52 до 10 % і кі- лькості активної частки біомаси, що виділилася, з 35 % до 0, й підвищення частки змішаного піролізного газу з 23 до 80,4 % та char з 7,51 до 10,8 % (криві 4 на рис. 8). Рис. 7. Розподіл об’ємних часток компонентів змішаного піролізного газу (первинного + вторинного) CO2 (a), CO (b), H2 (c), H2О (d) і C1.16H4 (e) за перерізом нерухомого шару частинок Wood Birch для варіанта IV залежно від часу, с: 1 – 4; 2 – 24; 3 – 36; 4 – 44 Fig. 7. Distribution of volume fractions of mixed pyrolysis gas components (primary + secondary) CO2 (a), CO (b), H2 (c), H2О (d) і C1.16H4 (e) across the cross-section of a fixed bed of Wood Birch particles for variant IV depending on time, s: 1 – 4; 2 – 24; 3 – 36; 4 – 44 Рис. 8. Розподіл за перерізом нерухомого шару піролізера активної частини вихідної біомаси марки Wood Birch γbirch,IV, що виділилася (a), масових часток продуктів термолізу: смоли birch IVсмол,γ (b), змішаного піролізного газу birch IVg,γ (c) та char birch IVchar,γ (d) для варіанта IV залежно від часу, с: 1 – 4; 2 – 24; 3 – 36; 4 – 40 Fig. 8. Distribution of the released active part of the initial biomass of Wood Birch γbirch,IV (a), mass fractions of thermoly- sis products: tar birch IVсмол,γ (b), mixed pyrolysis gas birch IVg,γ (c) and birch IVchar,γ (d) along the cross-section of the fixed bed of the pyrolyzer for variant IV depending on time, s: 1 – 4; 2 – 24; 3 – 36; 4 – 40 161 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика У [15] показано, що швидкість виробництва легкого газу вища, ніж первинного піролізного газу. Тому в кожному елементарному об’ємі піролізера Hbedrdr витрати пер- винного газу Bvolat,1,IV будуть меншими за витрати лег- кого газу Bvolat,2,IV, що випливає з рис. 9, a, b. Видно, що процес піролізу є нестаціонарним і характеризується мі- нливими в часі витратами первинного і вторинного пі- ролізних газів за перерізом реторти. Залежності Bvolat,1,IV(τ, r), Bvolat,2,IV(τ, r) і Bvolat,IV(τ, r) мають дзвоноподі- бні профілі та нагадують яскраво виражені локальні пе- ріодичні хвилеподібні сплески вздовж осі r. З плином часу ці профілі зміщуються до центру піролізера, а потім зливаються (крива 3 на рис. 9, a), що призводить до різ- кого підвищення максимумів функцій Bvolat,max,1,IV(τ, r) = 7,66·10-5 кг/с, Bvolat, max,2,IV(τ, r) = 0,00024 кг/с і Bvolat, max,IV(τ, r) = 0,00026 кг/с (порівняти криві 1, 2 і криву 3 на рис. 9). З порівняння рис. 9, a і 9, b випливає, що основну роль у формуванні повної витрати змішаного піролізного газу Bvolat,IV(τ, r) відіграє витрата вторинного газу Bvolat,2,IV(τ, r). Одним із недоліків способу піролізу з використанням двох електронагрівачів є те, що міжтрубний зазор, де розташовується фіксований шар піролізера, невеликий і дорівнює 35 мм (варіант I). Результати числового дослі- дження показують, що при розширенні зазору до 40 мм за рахунок збільшення діаметра зовнішньої труби 53 (рис. 1 з [13]) з 220 (варіант І) до 230 мм (варіант ІІІ) час прогріву фіксованого шару зростає. З рис. 2, a, c видно, що за τ = 64 с мінімальна температура частинок Bagasse у варіанті I дорівнює tp,minI = 702 С (крива 9 на рис. 2, a), а у варіанті III − tp,minIII = 384 С (крива 9 на рис. 2, c), вна- слідок чого швидкість прогрівання шару знизилася з 658 до 360 С/хв (швидкість прогрівання шару розраховува- лася за tp,min). Тому для досягнення поставленої мети не- обхідно при розширенні зазору використовувати третє джерело теплової енергії − рециркулюючий піролізний газ із температурою 800 °С (40 на рис. 1 з [13]). Оцінимо величину швидкості прогрівання частинок у фі- ксованому шарі піролізера 6 (рис. 1 з [13]), виходячи з таких початкових і граничних умов для варіантів V−VII: Hbed = 450 мм, δ0 = 10 мм, ε = 0,4770, ρp0 = 806 кг/м3, d = 150 мм, tp0 = 100 С, мінімальна температура прогрі- вання шару tp,min = 700 С. Щільність частинок ρp0 = 806 кг/м3, постійна. У кожному варіанті виконували два розрахунки при uпір.g = 0 і uпір.g = 2 м/с. Задавалися такі граничні умови на стінках труб 53 і 7 (рис. 1 з [13]): tp(τ, r = 0,075 м) = 800 С і tp(τ, r = 0,11 м) = 850 С. Варіанти V- VII різнилися між собою діаметром труби 53: DV = 220 мм, DVI = 240 мм і DVII = 300 мм. Рис. 9. Розподіл сумарних витрат первинного Bvolat,1,IV (a) і вторинного Bvolat,2,IV (b) піролізних газів, їхні суми Bvolat,IV (c) за перерізом нерухомого шару частинок Wood Birch для варіанта IV залежно від часу, с: 1 – 24; 2 – 36; 3 – 40 Fig. 9. Distribution of the total flow rates of primary Bvolat, 1, IV (a) and secondary Bvolat,2,IV (b) pyrolysis gases, their sum Bvolat,IV (c) along the cross-section of the fixed bed of the Wood Birch particle pyrolyzer for variant IV depending on time, s: 1 – 24; 2 – 36; 3 – 40 Розрахунки розглянутих варіантів виконували з викори- станням пакета прикладних програм Ansys CFX. Двови- мірні та тривимірні нестаціонарні задачі розв’язували з використанням повнопористої моделі (The full porous model). Для розрахунку температурного поля в повно- пористій моделі використовуються окремо рівняння для теплової енергії газоподібної та дисперсної фаз. Ро- зрахунок радіаційного теплообміну в пористому тілі в Ansys CFX реалізовано за допомогою методу Монте- Карло. Повнопориста модель є одночасно і узагальнен- ням рівнянь Нав’є − Стокса, і закону Дарсі, який зазвичай застосовують для течій у пористих областях. Результати розрахунків проілюстровано на рис. 10 і 12. З рис. 10, a−c і 12, a (крива 1) видно, що час прогрівання частинок Bagasse із зовнішнім огороджувальним цилін- дром діаметром D = 220 мм і uпір.g = 0 до температури 700 С становить τ = 1000 с. З підвищенням значень D = 240 і D = 300 мм час прогрівання шару Bagasse зростає в 1,645 і 4,515 раза, відповідно. Для скорочення часу про- грівання частинок Bagasse додамо третє джерело тепло- вої енергії − піролізний газ, нагрітий до температури 800 С (рис. 11 та 12, b). У цьому разі час прогрівання шару біомаси залежно від діаметра D істотно скорочу- ється: при DV = 220 мм у 1,89 раза (порівняти рис. 10, c і рис. 11, c; криві 1 на рис. 12); при DVI = 240 мм у 2,70 раза (порівняти рис. 10, f і рис. 11, f; криві 2 на рис. 12); при DVII = 300 мм у 6,5 раза (криві 3 на рис. 12). Таким чином, у разі збільшення діаметра D з 220 до 240 мм і з 220 до 300 мм час прогрівання шару зростає в 1,15 і 1,31 раза, відповідно. Нагадаємо, що зазначені результати 162 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика розрахунків отримано при постійній щільності частинок − ρp0 = 806 кг/м3. Трансформуємо ці результати на випадок зменшення щільності з плином часу через вихід із части- нок летких речовин. Як зазначалося вище, швидкість про- грівання шару до мінімальної температури tp,minI = 646 С у варіанті I за рахунок тепла від двох електронагрівачів з урахуванням зміни щільності частинок з плином часу ста- новить 736 С/хв. У разі використання у варіанті V трьох джерел теплової енергії та DV = 220 мм час прогрівання зменшується з 60 до 31,75 с, унаслідок чого швидкість прогрівання біомаси досягає 1389 С/хв. Очікувана швид- кість прогрівання шару Bagasse при підвищенні діаметра D: з 220 до 240 мм становитиме 1208 С/хв. (варіант VI); з 220 до 300 мм (величина зазору 75 мм) – 1061 С/хв (ва- ріант VII). Отже, при підвищенні міжтрубного зазору з 35 до 75 мм ми зуміли зберегти процес швидкого піролізу біомаси, про що свідчать високі швидкості прогріву неру- хомого шару – 1061 С/хв. a b c 500 c 750 c 1000 с d e f 501 с 1001 с 1645 c g h i 501 c 3001 c 4515 c Рис. 10. Розподіл температур у нерухомому шарі частинок Bagasse залежно від часу і схеми прогріву біомаси (за рахунок двох електронагрівачів) і діаметра зовнішнього циліндра D, мм: a−c − 220; d−f − 240; g−i − 300 Fig. 10. Temperature distribution in the fixed bed of Bagasse particles as a function of time and scheme of biomass heat- ing (due to two electric heaters) and diameter of the outer cylinder D, mm: a−c − 220; d−f − 240; g−i − 300 163 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика a b c 202 c 408 c 530 с d e f 200 с 404 с 610 c Рис. 11. Розподіл температур у нерухомому шарі частинок Bagasse залежно від часу, схеми прогрівання біо- маси (за рахунок двох електронагрівачів і рециркуляції піролізних газів з температурою 800 °С) і діаметра зов- нішнього циліндра D, мм: a−c − 220; d−f 240 Fig. 11: Temperature distribution in the fixed bed of Bagasse particles depending on time and biomass heating scheme (due to two electric heaters and recirculation of pyrolysis gases with a temperature of 800 °C), and the diameter of the outer cylinder D, mm: a−c − 220; d−f − 240 a b 0 1000 2000 3000 4000 5000 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 T p , K Time, s 1 2 3 0 200 400 600 800 400 600 800 1000 T p , K Time, s 1 2 3 Рис. 12. Швидкості прогрівання шару частинок Bagasse в середині фіксованого шару на висоті Hbed = 445 мм при використанні двох джерел теплової енергії (двох електронагрівачів) (a) і трьох джерел: те саме + рециркуля- ція піролізних газів з температурою 800 °С(b) залежно від діаметра зовнішньої труби піролізера D, мм: 1 – 220; 2 – 240; 3 – 300 Fig. 12. Heating rates of the Bagasse particle bed in the middle of the fixed bed at the height Hbed = 445 mm using two sources of thermal energy (two electric heaters) (a) and three sources: the same + recirculation of pyrolysis gases with a temperature of 800 ° C(b) depending on the diameter of the outer pyrolyzer tube D, mm: 1 – 220; 2 – 240; 3 – 300 164 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика Висновки. 1. З використанням моделі піролізу біомаси в нерухо- мому шарі [13], проведені числові дослідження процесу термічного розкладання активної частини частинок Bagasse та Wood Birch з використанням різних схем ор- ганізації процесу термолізу: а) двох електронагрівачів, розташованих на зовнішній та внутрішній стінках піролі- зера; б) електронагрівача, розташованого на поверхні зовнішньої труби, та обігріву внутрішньої стінки піролі- зера продуктами згоряння; в) електрообігріву стінки зо- внішньої труби та комбінованому обігріву (електрона- грів + тепло продуктів згоряння) внутрішньої стінки піролізера; г) двох електронагрівачів та рециркуляції пі- ролізних газів з температурою 800 °С. 2. Для організації в нерухомому шарі швидкого піролізу необхідно в початкові моменти часу τ = 1 с підвести до поверхонь нагрівання піролізера такі потоки теплової енергії: qr=0,11+ = 203,2 і qr=0,075- = 187,16 кДж/(с·м2). 3. Отримано аналітичні залежності qw+(τ) і qw−(τ), що да- ють змогу регулювати значення qw+ і qw− в діапазоні 0 < τ < 60 с, тим самим перешкоджаючи перегріву зовнішньої і внутрішньої труб, виготовлених зі сталі X20H14C2. 4. У разі обігріву внутрішньої поверхні піролізера проду- ктами згоряння регулювати температуру tдим.газ(τ), яка змінюється від 1716 до 1016,5 С у вузькому інтервалі 4 < τ < 60 с, важко через велику інертність процесу го- ріння. Тому в зоні високих температур tдим.газ = 1716−1288 С у перші 20 с застосовується електронагрів внутрішньої поверхні піролізера, а далі використову- ється обігрів продуктами згоряння з постійною темпера- турою 1300 С. Таке технічне рішення дає змогу скоро- тити споживання електроенергії на власні потреби та зменшити час прогрівання шару. 5. За температури 850 °С склад змішаного піролізного газу в перерахунку на суху масу: CO2 = 7,13 %, CO = 51,4 %, H2 = 15,6 %, C1,16H4 = 23,71 % (CH4 = 16,6 % і C2H4 = 7,11 %) і C6H6,2O0,2 = 2,2 % задовільно узгоджуються з ре- зультатами експерименту зі швидкого піролізу Bagasse за температури 850 С: CO2 = 9 %, CO = 56,2 %, H2 = 15,70 %, CH4 = 12 % і C2H4 = 6,9 %, наведеними в [14]. 6. Основною відмінністю у складах первинного піроліз- ного газу є те, що у варіанті I (піроліз протікає за рахунок електронагріву) значно менший вміст C1,16H4 у газовій суміші та більша кількість водню (CO2 = 8,6 %, CO = 32,6 %, H2 = 20,9 %, H2O = 20,9 %, C1,16H4 = 16,68 % і N2 = 0,346 %), ніж у варіанті II (піроліз протікає за рахунок електрообігріву зовнішньої труби і комбінованого обіг- ріву внутрішньої труби): CO2 = 8,43 %, CO = 36,03 %, H2 = 12,05 %, H2O = 20,545 %, C1,16H4 = 22,6 % и N2 = 0,358 %. Тому теплотворна здатність газу у варіанті I набагато ни- жча, ніж у варіанті II. 7. Під час піролізу Wood Birch швидкість прогрівання шару виявляється в 1,32 раза вищою, ніж під час піролізу Bagasse (піроліз протікає за рахунок електрообігріву зовнішньої труби та комбінованого обігріву внутрішньої труби). 8. Склад первинного піролізного газу (Wood Birch) при τ = 20 с і температурі 778 °С: CO2 = 11,6 %, CO = 47,8 %, H2 = 12,670 %, C1,16H4 = 27,71 % (CH4 = 19.4 % і C2H4 = 8,31 %) та N2 = 0,245 % добре узгоджується з дослідними да- ними, отриманими при піролізі деревини за темпера- тури 750 С [14]: CO2 = 13,4 %, CO = 47,0 %, H2 = 10,1 %, CH4 = 19,8 % і C2H4 = 9,70 % [14]. 9. При піролізі Bagasse з використанням двох електрона- грівачів зі збільшенням діаметра зовнішньої труби з 220 до 230 мм швидкість прогріву шару знижується з 658 до 360 °С/хв, що не відповідає критерію швидкого піролізу. 10. Для підвищення швидкості прогріву шару Bagasse не- обхідно до двох електронагрівачів додати третє джерело енергії – піролізний газ, нагрітий до температури 800 °С. Чисельні дослідження показують, що при збільшенні діа- метра зовнішньої труби з 220 до 300 мм зберігається про- цес швидкого піролізу біомаси, про що свідчить висока швидкість прогріву нерухомого шару – 1061 °С/хв. Позначення B − витрата, кг/с; D, d – зовнішній та внутрішній діаметри піролізера, м; H – висота, м; I – сила струму, А; n – число молей; q – зовнішній тепловий потік, кДж/(с·м2); r – ра- діальна координата, м; R – об’емна частка компонента газової суміші; t – температура, С; U – напруга, В; u – швидкість, м/с; α – коефіцієнт теплообміну, кДж/(с·м2·К); birch gγ , birch смолγ і birch charγ − масові частки про- дуктів термолізу Wood Birch (від сумарного максималь- ного виділення продуктів термічного розкладання) газу, смоли та char; γbirch − відношення поточної маси продук- тів Wood Birch, що виділилися, до їхньої максимальної кількості; δ – діаметр частинки, м; ε – порозність шару; λ – коефіцієнт теплопровідності, кДж/(с·м·K); ρ – щіль- ність, кг/м3; τ – час, с; ∆ – прирощення функції. Індекси: birch – Wood Birch; bed − шар; char − вугільний залишок; d − суха маса; g − газ; max − максимальний; mas − маса; min − мінімальний; p − частинка; r − робочий, радіус; volat – леткий; w − стінка; дим. газ – димові гази; пір – піролізер; ср − середній; смол – смола; еф − ефектив- ний; 0 – початкове значення параметра; I−VII – варіанти розрахунку; ∑ – сума (променистий + конвективний); 1, 2 – первинний та вторинний піролізні гази. ПОСИЛАННЯ 1. Bridgewater A. V., Peacocke G. V. Production of liquids in high yields by ablative fast pyrolysis. The Proceedings of the 8th European Bioenergy Conference. Vienna. Austria. 1994. Vol. 3. P. 1749. 2. Bridgewater A. V., Peacocke G. V. Status of fast pyrolysis for biomass. Renewable and Sustainable Energy Re- views. 2000. № 4. P. 1. 3. Майков И. А., Синельщиков. В. А., Федюхин А. В. Исследование термического распада органического сырья растительного происхождения. Труды 5-й Российской национальной конференции по тепло- обмену. М.: МЭИ, 2010. Т. 3. С. 262–264. 165 Відновлювана енергетика. №3/2024 |Біоенергетика 4. Kosov V. V., Kosov V. F., Maikov I. L., Sinelshchikov V. A., Zaichenko V. M. High calorific gas mixture produced by pyrolysis of wood and peat. The Proceedings of 17th European Biomass Conference and Exhibition. Hamburg. Germany. 2009. Pp. 1085–1088. 5. Fedyukhin A. V., Maikov I. L., Sinelshchikov V. A. Comparison of kinetic models of biomass thermal decomposition. Book of Abstracts of International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter. Nalchik. Russia. 2011. P. 114–115. 6. Kalita P., Mohan G., Kumar G. P., Mahanta P. Determination and comparison of kinetic parameters of low density biomass fuels. J. Renewable and Sustainable Energy. 2009. Vol. № 1. Pp. 1–12. 7. Никитин В. М. Химическая переработка древесины и ее перспективы. М: Лесн. пром-сть, 1974. 88 с. 8. Orfao J. J. M., Antunes F. J. A., Figueiredo J. L. Pyrolysis kinetics of lignocellulosic materials - three independent reactions model .Fuel. 1999. Vol. № 78. Pp. 349–358. 9. Idris S. S., Rahman N. A., Ismail K., Alias A. B., Rashid Z. A., Aris M. J. Investigation on thermochemical behavior of low rank Malaysian coal, oil palm biomass and their blends during pyrolysis via thermogravimetric analysis (TGA). Bioresource Technology. 2010. № 101. Pp. 4584- 4592. 10. Hornung A., Sagi S., Marongiu A., Seifert H. Evaluation of the formal kinetic parameters and degradation mechanisms for the pyrolysis of lignin by thermogravimetry mass-spectrometry.The Proceedings of 16th European Biomass Conference and Exhibition. Valencia. Spain. 2008. Pp. 1119–1126. 11. Manya J. J., Enrique Velo J. M., Puigjaner L. Kinetics of biomass pyrolysis: a reformulated three-parallel reactions model .Ind. Eng. Chem. 2003. Vol. 42. Pp. 434–441. 12. Rincon Pratt S., Gomez Mejia A. Pyrolysis of agroindustrial biomass residues. The Proceedings of 16th European Biomass Conference and Exhibition. Valencia. Spain. 2008. Pp. 1200–1204. 13. Рохман Б. Б., Кобзар С. Г. Конструктивні особливості дослідної установки та числові дослідження про- цесу термохімічної переробки біомаси. Ч. 1. Опис ре- актора й моделювання робочого процесу. Відновлю- вана енергетика. 2024. № 2. С. 123–136. 14. Zanzi R., Sjöström K., and Björnbom E. Rapid high- temperature pyrolysis of biomass in a free-fall reactor. 1996. Fuel. Vol. 75. № 5. Pp. 545−550. 15. Рохман Б. Б., Кобзар С. Г. Дослідження кінетики про- цесу піролізу біомаси у фіксованому шарі. 1. Моде- лювання та чисельний аналіз термічного розкла- дання лігніну. Енерготехнології та ресурсозбере- ження. 2024. № 1. С. 84−94. REFERENCES 1. Bridgewater A. V., Peacocke G. V. Production of liquids in high yields by ablative fast pyrolysis // The Proceed- ings of the 8th European Bioenergy Conference. Vienna. Austria. 1994. Vol. 3. P. 1749. 2. Bridgewater A. V., Peacocke G. V. Status of fast pyrolysis for biomass. Renewable and Sustainable Energy Re- views. 2000. № 4. P. 1. 3. Maikov I. A., Sinelshchikov. V. A., Fedyukhin A. V. Inves- tigation of thermal decomposition of organic raw mate- rials of plant origin. Proceedings of the 5th Russian Na- tional Conference on Heat Transfer. M.: MEI, 2010. Vol. 3. Pp. 262–264. 4. Kosov V. V., Kosov V. F., Maikov I. L., Sinelshchikov V. A., Zaichenko V. M. High calorific gas mixture produced by pyrolysis of wood and peat. Proceedings of 17th Euro- pean Biomass Conference and Exhibition. Hamburg. Germany. 2009. Pp. 1085–1088. 5. Fedyukhin A. V., Maikov I. L., Sinelshchikov V. A. Com- parison of kinetic models of biomass thermal decompo- sition. Book of Abstracts of International Conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter. Nal- chik. Russia. 2011. Pp. 114–115. 6. Kalita P., Mohan G., Kumar G.P. and Mahanta P. Deter- mination and comparison of kinetic parameters of low density biomass fuels. J. Renewable and Sustainable En- ergy. 2009. Vol. № 1. Pp. 1–12. 7. Nikitin V.M. Chemical processing of wood and its pro- spects. M: Lesn. Prom-st, 1974. 88 p. 8. Orfao J. J. M., Antunes F. J. A., Figueiredo J. L. Pyrolysis kinetics of lignocellulosic materials - three independent reactions model. Fuel. 1999. Vol. № 78. Pp. 349–358. 9. Idris S. S., Rahman N. A., Ismail K., Alias A. B., Rashid Z. A., Aris M. J. Investigation on thermochemical behavior of low rank Malaysian coal, oil palm biomass and their blends dur- ing pyrolysis via thermogravimetric analysis (TGA). Biore- source Technology. 2010. № 101. Pp. 4584-4592. 10. Hornung A., Sagi S., Marongiu A., Seifert H. Evaluation of the formal kinetic parameters and degradation mechanisms for the pyrolysis of lignin by thermogra- vimetry mass-spectrometry.The Proceedings of 16th European Biomass Conference and Exhibition. Valencia. Spain. 2008. Pp. 1119–1126. 11. Manya J. J., Enrique Velo J. M., Puigjaner L. Kinetics of bio- mass pyrolysis: a reformulated three-parallel reactions model. Ind. Eng. Chem. 2003. Vol. 42. Pp. 434–441. 12. Rincon Pratt S., Gomez Mejia A. Pyrolysis of agroindus- trial biomass residues. The Proceedings of 16th Euro- pean Biomass Conference and Exhibition. Valencia. Spain. 2008. Pp. 1200–1204. 13. Rokhman, B., Kobzar, S. Design features of the experi- mental unit and numerical studies of the Bagasse ther- mochemical processing. Part. 1. Description of the re- actor and modeling of the workflow. // Vidnovluvana energetika . 2024. № 2. P. 123–136. 14. Zanzi R., Sjöström K., Björnbom E. Rapid high-tempera- ture pyrolysis of biomass in a free-fall reactor. 1996. Fuel. Vol. 75. № 5. Pp. 545−550. 15. Rokhman, B., Kobzar, S. Applicatio study on kinetics of biomass pyrolysis in the fixed bed. 1. Simulation and nu- merical analysis of lignin thermal decomposition. En- ergy Technologies & Resource Saving. 2024. № 1. Pp. 84−94. https://etars-journal.org/index.php/index https://etars-journal.org/index.php/index https://ve.org.ua/index.php/index https://ve.org.ua/index.php/index
id veorgua-article-481
institution Vidnovluvana energetika
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-07-19T01:14:16Z
publishDate 2024
publisher Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv veorgua/d1/d67ccc2788fdddf49bee6eac4f07acd1.pdf
spelling veorgua-article-4812026-07-18T06:32:20Z DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 2. ANALYSIS OF THE PYROLYSIS PROCESS IN A FIXED BED APPARATUS КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ. ЧАСТИНА 2. АНАЛІЗ ПРОЦЕСУ ПІРОЛІЗУ В АПАРАТІ З ФІКСОВАНИМ ШАРОМ Rohman , 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. Using the biomass pyrolysis model built in the first part of the work, the Bagasse and Wood Birch thermolysis process was investigated. Different variants of bed heating were considered by: a) electric heating of the outer and inner surfaces of the pyrolyzer; b) electric heating of the outer surface and heating of the inner surface of the pyrolyzer with combustion products; c) electric heating of the outer surface of the pyrolyzer and combined heating of the inner surface: in the first 20 s electric heating is used, further − thermal energy of combustion products with a temperature of 1300 °С. It is shown that: a) for fast pyrolysis it is necessary at the initial moments of time τ = 0−1 s to bring to the outer and inner walls of the pyrolyzer large heat fluxes: qw+ = 203.2 and qw− = 187.16 kJ/(s·m2), respectively. The dependences qw(τ) necessary for regulating the temperatures of the pyrolyzer walls were obtained; b) at the outlet from the Bagasse pellet bed the following gas composition at a temperature of 736 °С (on dry mass) is obtained: CO2 = 12,1&amp;nbsp;%; CO = 44,70&amp;nbsp;%; H2 = 17,2&amp;nbsp;%; C1,16H4 = 24,95&amp;nbsp;% (70&amp;nbsp;% CH4 + 30&amp;nbsp;% C2H4); C6H6,2O0,2 = 0,712&amp;nbsp;% і N2 = 0,3&amp;nbsp;% with a caloric value of 19185 kJ/nm3; c) at temperature 850°С the gas composition: CO2 = 7,13&amp;nbsp;%; CO = 51,4&amp;nbsp;%; H2 = 15,6&amp;nbsp;%; C1,16H4 = 23,71&amp;nbsp;%; C6H6,2O0,2 = 2,2&amp;nbsp;% satisfactorily agrees with the experimental data Zanzi R., obtained at temperature 850&amp;nbsp;°С: CO2 = 9&amp;nbsp;%; CO = 56,2&amp;nbsp;%; H2 = 15,70&amp;nbsp;%; CH4 = 12&amp;nbsp;% і C2H4 = 6,9 %; d) the main problem of Bagasse fast pyrolysis organizing, is a narrow intertube gap of 35 mm, where the bed is located; e) to expand the gap to 75 mm keeping high heating bed rates, it is necessary to use recirculation of pyrolysis gases with temperature 800 °С.&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp; З використанням побудованої в першій частині роботи моделі піролізу біомаси проведено дослідження процесу термолізу Bagasse і Wood Birch. Розглядалися різні варіанти прогріву шару за рахунок: а) електронагріву зовнішньої та внутрішньої поверхонь піролізера; б) електронагріву зовнішньої поверхні та обігріву внутрішньої поверхні піролізера продуктами згоряння; в) електронагріву зовнішньої поверхні піролізера та комбінованого обігріву внутрішньої поверхні: у перші 20&amp;nbsp;с використовується електронагрів, далі&amp;nbsp;− теплова енергія продуктів згоряння з температурою 1300&amp;nbsp;°С. Показано, що: а) для швидкого піролізу необхідно в початкові моменти часу τ = 0−1&amp;nbsp;c підвести до зовнішньої та внутрішньої стінок піролізера великі потоки тепла: qw+ = 203,2 та qw− = 187,16&amp;nbsp;кДж/(с·м2), відповідно. Отримано залежності qw(τ), необхідні для регулювання температур стін піролізера; б) на виході з шару частинок Bagasse отримують такий склад газу за температури 736&amp;nbsp;°С (на суху масу): CO2 = 12,1&amp;nbsp;%; CO = 44,70&amp;nbsp;%; H2 = 17,2&amp;nbsp;%; C1,16H4 = 24,95&amp;nbsp;% (70&amp;nbsp;% CH4 + 30&amp;nbsp;% C2H4); C6H6,2O0,2 = 0,712&amp;nbsp;% і N2 = 0,3&amp;nbsp;% з калорійністю19&amp;nbsp;185&amp;nbsp;кДж/нм3; в) за температури 850&amp;nbsp;°С склад газу: CO2 = 7,13&amp;nbsp;%; CO = 51,4&amp;nbsp;%; H2 = 15,6&amp;nbsp;%; C1,16H4 = 23,71&amp;nbsp;%; C6H6,2O0,2 = 2,2&amp;nbsp;%&amp;nbsp;− задовільно узгоджується з дослідними даними Zanzi R., отриманими при температурі 850&amp;nbsp;°С: CO2 = 9&amp;nbsp;%; CO = 56,2&amp;nbsp;%; H2 = 15,70&amp;nbsp;%; CH4 = 12&amp;nbsp;% і C2H4 = 6,9 %; г) основною проблемою організації швидкого піролізу Bagasse є вузький міжтрубний проміжок&amp;nbsp;– 35&amp;nbsp;мм, де розташовується шар; д) для розширення проміжку до 75&amp;nbsp;мм при збереженні високих швидкостей прогріву шару необхідно використовувати рециркуляцію піролізних газів з температурою 800&amp;nbsp;°С. &amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp; Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024-09-30 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/481 10.36296/1819-8058.2024.3(78).153-165 Vidnovluvana energetika ; No. 3(78) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 153-165 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 3(78) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 153-165 Відновлювана енергетика; № 3(78) (2024): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 153-165 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2024.3(78) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/481/390 Copyright (c) 2024 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.
Kobzar , S. G.
DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 2. ANALYSIS OF THE PYROLYSIS PROCESS IN A FIXED BED APPARATUS
title DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 2. ANALYSIS OF THE PYROLYSIS PROCESS IN A FIXED BED APPARATUS
title_alt КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ. ЧАСТИНА 2. АНАЛІЗ ПРОЦЕСУ ПІРОЛІЗУ В АПАРАТІ З ФІКСОВАНИМ ШАРОМ
title_full DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 2. ANALYSIS OF THE PYROLYSIS PROCESS IN A FIXED BED APPARATUS
title_fullStr DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 2. ANALYSIS OF THE PYROLYSIS PROCESS IN A FIXED BED APPARATUS
title_full_unstemmed DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 2. ANALYSIS OF THE PYROLYSIS PROCESS IN A FIXED BED APPARATUS
title_short DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BAGASSE THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 2. ANALYSIS OF THE PYROLYSIS PROCESS IN A FIXED BED APPARATUS
title_sort design features of the experimental unit and numerical studies of bagasse thermochemical processing part 2. analysis of the pyrolysis process in a fixed bed apparatus
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/481
work_keys_str_mv AT rohmanb designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbagassethermochemicalprocessingpart2analysisofthepyrolysisprocessinafixedbedapparatus
AT kobzarsg designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbagassethermochemicalprocessingpart2analysisofthepyrolysisprocessinafixedbedapparatus
AT rohmanb konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina2analízprocesupírolízuvaparatízfíksovanimšarom
AT kobzarsg konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina2analízprocesupírolízuvaparatízfíksovanimšarom