DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THER-MOCHEMICAL PROCESSING. PART 3 THE INFLUENCE OF HEAT CAPACITY AND THERMAL DECAY EFFECT ON THE HEATING RATE OF WOOD BIRCH PARTICLE BED
The third part of this work is devoted to the theoretical study of the influence of biomass heat capacity, boundary conditions, recirculation of pyrolysis gases, external and internal heat flows on the heating time of a fixed pyrolysis bed consisting of Wood Birch particles of 10 mm equivalent diam...
Gespeichert in:
| Datum: | 2024 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| 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/495 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103845671632896 |
|---|---|
| author | Rokhman , B. B. Kobzar , S. G. |
| author_facet | Rokhman , B. B. Kobzar , S. G. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "B. B. Rokhman ",
"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 | Rokhman , B. B. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:21Z |
| description | The third part of this work is devoted to the theoretical study of the influence of biomass heat capacity, boundary conditions, recirculation of pyrolysis gases, external and internal heat flows on the heating time of a fixed pyrolysis bed consisting of Wood Birch particles of 10 mm equivalent diameter. Three options for heating the bed were considered: a) electric heating of the outer and inner surfaces of the pyrolyzer; b) electric heating of the outer surface and heating the inner surface of the pyrolyzer by combustion products; c) two electric heaters and recirculating pyrolysis gas with a temperature of 800 °С. It is shown that: 1) taking into account the thermal decomposition thermal effect in the equation of thermal energy of particles leads to a decrease in the biomass bed heating time by 1.33 times and an increase in the bed heating rate to 987 °С/min; 2) recirculation of high-temperature pyrolysis gases entering the pyrolyzer limited by the outer D = 220 mm and inner d = 150 mm diameters, reduces the bed heating time by 1.39 times, resulting in increasing the particle heating rate from 987 to 1373 °С/min; 3) pyrolysis gases recirculation contributes to the rapid pyrolysis organization when the pyrolyzer outer diameter increases from 220 to 240 mm and from 220 to 300 mm, resulting in a decrease in the bed heating rate from 1373 to 1295.3 °С/min and from 1373 to 1223 °С/min, respectively; 4) the calculated composition of the mixed pyrolysis gas at tg = 800 °С: CO2 = 7.14 %, CO = 51.4 %, H2 = 15.56 %, C1.16H4 = 23.72 % (CH4 = 16.6 % and C2H4 = 7.116 %), N2 = 0.296 %), is in good agreement with the results of the Wood Birch pyrolysis experiment at tg = 800 °С: CO2 = 8.3 %, CO = 50.70 %, H2 = 16.8 %, CH4 = 16.2 % and C2H4 = 7.9 %.    |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2024.4(79).119-134 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:45Z |
| format | Article |
| fulltext |
119
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
УДК 532.529: 532.517.4 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2024.4(79)119-134
КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ
ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ.
ЧАСТИНА 3
ВПЛИВ ТЕПЛОЄМНОСТІ Й ТЕПЛОВОГО ЕФЕКТУ ТЕРМОРОЗПАДУ НА ШВИДКІСТЬ ПРОГРІВАННЯ
ШАРУ ЧАСТИНОК WOOD BIRCH
Отримано 10 черв. 2024 р.; рекомендовано до публікації 27 лист. 2024 р.
Доступно онлайн 11 груд. 2024 р.
Рохман Б. Б.1, Кобзар С. Г.2
Автор для кореспонденції: Рохман Болеслав,
e-mail: brolene@yahoo.com
Третя частина цієї роботи присвячена теоретич-
ному дослідженню впливу теплоємності біомаси, гра-
ничних умов, рециркуляції піролізних газів, зовнішніх і
внутрішніх теплових потоків на час прогріву нерухо-
мого шару піролізера, що складається з частинок
Wood Birch еквівалентного діаметра 10 мм. Розгляда-
лися три варіанти прогріву шару за рахунок: а) електрообігріву зовнішньої та внутрішньої поверхонь
піролізера; б) електрообігріву зовнішньої поверхні та обігріву внутрішньої поверхні піролізера проду-
ктами згоряння; в) двох електрообігрівачів та рециркуляційного піролізного газу з температурою
800 С. Показано, що: 1) урахування теплового ефекту процесу терморозпаду в рівнянні теплової ене-
ргії частинок приводить до зменшення часу прогріву шару біомаси в 1,33 раза та підвищення швидко-
сті прогріву шару до 987 С/хв; 2) рециркуляція високотемпературних піролізних газів, що надходять
до піролізера, який обмежений зовнішнім, D = 220 мм, і внутрішнім, d = 150 мм, діаметрами, зменшує
час прогріву шару в 1,39 раза, внаслідок чого швидкість прогріву частинок шару зростає від 987 до
1373 С/хв; 3) рециркуляція піролізних газів сприяє організації швидкого піролізу в разі підвищення зов-
нішньо го діаметра піролізера від 220 до 240 мм та від 220 до 300 мм, внаслідок чого відбувається
зменшення швидкостей прогріву шару від 1373 до 1295,3 С/хв та від 1373 до 1223 С/хв відповідно; 4)
результати розрахунку складу змішаного піролізного газу за tg = 800 С: CO2 = 7,14 %, CO = 51,4 %,
H2 = 15,56 %, C1,16H4 = 23,72 % (CH4 = 16,6 % та C2H4 = 7,116 %), N2 = 0,296 % добре збігаються з результа-
тами експерименту піролізу Wood Birch за tg = 800 С: CO2 = 8,3 %, CO = 50,70 %, H2 = 16,8 %, CH4 = 16,2 %
і C2H4 = 7,9 %.
Ключові слова: нерухомий шар, біомаса, Wood Birch, теплопровідність, піроліз, газ, температура, те-
плова енергія, рециркуляція, електронагрівач.
DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMO-
CHEMICAL PROCESSING.
PART 3
THE INFLUENCE OF HEAT CAPACITY AND THERMAL DECAY EFFECT ON THE HEATING RATE OF
WOOD BIRCH PARTICLE BED
Received Jun. 10, 2024; accepted Nov. 27, 2024
Available online Dec. 11, 2024
Rokhman B. B1, Kobzar S. G.2
Author for correspondence: Rokhman Boleslav,
e-mail: brolene@yahoo.com
The third part of this work is devoted to the theoretical
study of the influence of biomass heat capacity, bound-
ary conditions, recirculation of pyrolysis gases, external
and internal heat flows on the heating time of a fixed
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 відновлюваної
енергетики НАН України, м. Київ, Україна
2 Інститут технічної теплофізики НАН України,
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
120
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
pyrolysis bed consisting of Wood Birch particles of 10 mm equivalent diameter. Three options for heating the
bed were considered: a) electric heating of the outer and inner surfaces of the pyrolyzer; b) electric heating of
the outer surface and heating the inner surface of the pyrolyzer by combustion products; c) two electric heaters
and recirculating pyrolysis gas with a temperature of 800 С. It is shown that: 1) taking into account the thermal
decomposition thermal effect in the equation of thermal energy of particles leads to a decrease in the biomass
bed heating time by 1.33 times and an increase in the bed heating rate to 987 С/min; 2) recirculation of high-
temperature pyrolysis gases entering the pyrolyzer limited by the outer D = 220 mm and inner d = 150 mm di-
ameters, reduces the bed heating time by 1.39 times, resulting in increasing the particle heating rate from 987
to 1373 С/min; 3) pyrolysis gases recirculation contributes to the rapid pyrolysis organization when the pyro-
lyzer outer diameter increases from 220 to 240 mm and from 220 to 300 mm, resulting in a decrease in the bed
heating rate from 1373 to 1295.3 С/min and from 1373 to 1223 С/min, respectively; 4) the calculated com-
position of the mixed pyrolysis gas at tg = 800 С: CO2 = 7.14 %, CO = 51.4 %, H2 = 15.56 %, C1.16H4 = 23.72 %
(CH4 = 16.6 % and C2H4 = 7.116 %), N2 = 0.296 %), is in good agreement with the results of the Wood Birch py-
rolysis experiment at tg = 800 С: CO2 = 8.3 %, CO = 50.70 %, H2 = 16.8 %, CH4 = 16.2 % and C2H4 = 7.9 %.
Keywords: fixed bed, biomass, Wood Birch, thermal conductivity, pyrolysis, gas, temperature, thermal energy,
recycling, electric heater.
Умовні скорочення
B − витрата, кг/с
c – теплоємність, кДж/(кг·K)
D – діаметр піролизера, м
d – діаметр внутрішнього циліндра, м
H – висота, м
n – число молей
Q – теплосприйняття зовнішньої поверхні піролізера, Вт
або тепловий ефект процесу терморозпаду, кДж/кг
qw+ – тепловий потік, що падає на поверхню зовнішньої
труби, кДж/(с·м2)
qw- – те саме на поверхню внутрішньої труби, кДж/(с·м2)
r – радіальна координата, м
R – об’емна частка компонента газової суміші
t – температура, С
u – швидкість, м/с
V – масова частка летких речовин у твердому паливі
birch
gγ ,
birch
смолγ і
birch
charγ − масові частки продуктів термо-
лізу Wood Birch (від сумарного максимального виді-
лення продуктів термічного розкладання) газу, смоли та
char
γbirch − відношення поточної маси продуктів Wood Birch,
що виділилися, до їхньої максимальної кількості
δ – діаметр частинки, м
ε – порозність шару
λ – коефіцієнт теплопровідності, кДж/(с·м·K)
ρ – щільність, кг/м3
τ – час, с; φ – масова частка
∆r – проміжок, мм
Індекси:
birch – Wood Birch
bed – щар
biomas – біомаса
char − вугільний залишок
d − суха маса
g – газ
min – мінімальний
p – частинка
termol − тепловий ефект процесу термолізу
volat – леткий
w – стінка
j − номер вузла
дим, газ – димові гази
пір – піролізер
ср – середній
смол – смола
т.в. – теплосприйняття
еф – ефективний
0 – початкове значення параметра
I–VI – варіанти розрахунку
1, 2 – первинний та вторинний піролізні гази
Вступ. Використання генераторного газу як палива для
когенераційних міні-ТЕЦ на основі газодизельних і газо-
поршневих двигунів внутрішнього згоряння є зручним
та ефективним, що зумовлено такими перевагами елек-
троагрегатів на базі двигунів внутрішнього згоряння, як
відносно невисока вартість, високий електричний ККД,
мобільність та невеликі габарити, доступність устатку-
вання та запчастин, а також ремонтопридатність і прос-
тота обслуговування. Спеціальні газопоршневі агрегати
можуть без істотної втрати потужності працювати на ни-
зько- і середньокалорійному генераторному газі. У газо-
дизельних агрегатах досягається практично повне замі-
щення дизельного палива генераторним газом.
Загальний недолік схем з двигунами внутрішнього зго-
ряння – наявність високих вимог до чистоти генератор-
ного газу; допустимий вміст смол під час тривалої роботи
двигуна не має перевищувати 10–100 мг/нм3 [1–3].
121
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
Середньокалорійний генераторний газ отримують вна-
слідок піролізу біомаси, низькокалорійний газ – за раху-
нок газифікації її коксозольного залишку. Для отримання
в одному реакторі двох різних за складом і калорійністю
синтетичних газів з малим вмістом смолистих речовин
необхідно використовувати двостадійну термохімічну пе-
реробку біомаси, що поєднує піроліз з подальшою гази-
фікацією коксозольного залишку. Останні розробки газо-
генераторів цього типу: Viking, FLETGAS, LT-CFB [4]. У
когенераційній установці LiPRO-Energy [5] використову-
ється комбінація шнекового піролізера і прямоточного га-
зогенератора з пароповітряним дуттям. У газогенератор
потрапляє парогазова суміш летких продуктів піролізу і
коксовий залишок сировини – деревної тріски розміром
30–50 мм, що має відносну вологість не більше 15 %. Те-
плота згоряння одержуваного газу становить
5,6 МДж/м3, вміст азоту – 44 %. Електрична потужність ус-
тановки 30 або 50 кВт (400 В, 50 Гц), а теплова – 70 або
110 кВт за витрати біомаси 30 або 50 кг/год. Спосіб, що
являє собою комбінацію піролізу і подальшого крекінгу
летких продуктів у високотемпературному шарі напівко-
ксу або деревного вугілля, вперше був описаний у роботі
[6]. Досліджували вплив ефекту високотемпературного
крекінгу на об’єм і склад газів, одержуваних під час пере-
робки деревної тирси. Було показано, що за температури
950 °C відбувається повне розкладання смол і пірогенети-
чної вологи. У [7] було вивчено вплив каталітичного і тер-
мічного ефектів під час крекінгу піролізних продуктів біо-
маси в порожньому об’ємі та в шарі деревного вугілля за
температури 500–700 °C. Отримано дані про зміну складу
конденсованих і неконденсованих продуктів. У [8, 9] по-
казано вплив температури в зоні гетерогенного крекінгу
летких продуктів перероблення деревної біомаси і торфу
на властивості газу та ефективність процесу. Показано,
що збільшення температури в зоні крекінгу від 850 до
1000 °C приводить до збільшення питомого об’ємного
виходу неконденсованих газів, збільшення H2 і CO, змен-
шення вмісту вуглеводнів і п’ятикратного збільшення
ефективності конверсії біомаси порівняно з простим по-
вільним піролізом.
Обладнання для газифікації твердого палива можна класи-
фікувати відповідно до таких параметрів: тип окислювача
(кисень, повітря або пара), діапазон робочих температур,
спосіб підведення теплоти, величина робочого тиску, а та-
кож спосіб подачі біомаси до газогенератора і напрямок
переміщення біомаси та потоків теплоносіїв усередині
нього. Використання повітря як дуття є найпростішою тех-
нологією, оскільки не потребує спеціального обладнання
для розділення повітря [10]. Застосування повітря як окис-
лювача призводить до забаластування генераторного газу
азотом, що знижує теплоту згоряння газу до 2–6 МДж/м3
[11], а також істотно ускладнює подальшу переробку про-
дукту газифікації в разі його використання для синтезу рід-
ких вуглеводнів. Газифікація з використанням кисню дає
змогу усунути недоліки повітряної газифікації й одержати
середньокалорійний газ (10–12 МДж/м3), придатний для
обмеженого транспортування трубопроводом і для вико-
ристання як синтез-газ із метою одержання метанолу,
рідких палив та інших хімічних речовин. До низькотемпе-
ратурних газогенераторів (до 1000–1100 °C) належить бі-
льшість наявних газогенераторів малої та середньої проду-
ктивності. Робоча температура високотемпературних
газогенераторів зазвичай становить понад 1200 °C. За та-
ких температур переважно працюють реактори газифікації
в потоці [12], де сировина повністю перетворюється на га-
зоподібний продукт протягом дуже короткого проміжку
часу, що становить лише кілька секунд. За способом підве-
дення тепла в реакційну зону газогенератори поділяються
на автотермічні (за рахунок часткового окислення біомаси
безпосередньо всередині реактора) і алотермічні (за раху-
нок зовнішнього джерела). Газогенератори, що працюють
під тиском, мають вищу максимальну продуктивність за
рахунок швидкого протікання хімічних реакцій через ви-
сокі концентрації газових компонентів. Переваги газифіка-
ції під тиском проявляються під час використання у вели-
ких парогазотурбінних установках із внутрішньоцикловою
газифікацією біомаси. У цьому разі не потрібне додаткове
стиснення газу перед подачею в камеру згоряння газової
турбіни [13]. За способом подавання біомаси до газогене-
ратора, напрямком її руху відносно потоку теплоносія га-
зогенератори поділяються на: а) протиточні та прямоточні
газогенератори з фіксованим шаром; б) з псевдозрідже-
ним киплячим шаром; в) з псевдозрідженим циркулюю-
чим шаром; г) потокова газифікація; д) плазмова газифіка-
ція [14, 15]. Протипотокові газогенератори (зворотного
процесу) можуть працювати з широким діапазоном видів
і розмірів вихідної сировини. Одинична теплова потуж-
ність сягає 20 МВт. Серед недоліків процесу – утворення в
шарі сировини порожнистих каналів для проходу повітря,
що може призвести до вибуху. Для запобігання цьому про-
водять шурування шару або постійний рух колосникової
решітки [16]. У прямоточних газогенераторах потужністю
не більше 1–2 МВт біомасу подають у газогенератор зве-
рху, а дуття вводять у середній частині газогенератора, так
що біомаса і гази рухаються в одному напрямку. Така тех-
нологія дає змогу домогтися дуже низького вмісту смол у
газі − 50–500 мг/нм3. У [17, 18] наведено сучасні конструк-
ції газогенераторів, що використовують принципи проти-
точної та прямоточної газифікації. Основним недоліком
прямоточних газогенераторів є вимогливість до якості та
розміру сировини. Тут виникають проблеми, пов’язані з
нерівномірністю розподілу потоку газів і істотним падін-
ням тиску. Як порівняти з протиточними газогенерато-
рами, прямоточні більш схильні до шлакоутворення. В [19]
наведено установку плазмової пароповітряної оберненої
газифікації, в якій плазмовий струмінь вводиться в зону пі-
ролізу, впливаючи також на процеси парового риформінгу
летких компонентів органічної сировини. Одержано низку
експериментальних результатів, зокрема: а) одержано газ
зі співвідношенням компонентів Н2/СО 1,4–1,5 моль/моль
з нижчою теплотою згоряння 2,7 – 3,0 МДж/нм3 та хіміч-
ним ККД газифікації 29,6–31,5 %; б) використання розділь-
ної конверсії твердих органічних відходів дало можливість
збільшити хімічний ККД газифікації до 27,7–39,1 % в разі
використання пелет ДМ та до 44,1–55,4 % в разі викорис-
тання ГКЗШ; в) показано, що на вихід водню в складі
122
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
одержаного газу впливали ступінь використання водяної
пари, швидкість конверсії твердих органічних відходів та їх
склад.
У першій частині цієї роботи [20] 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. З використанням мо-
делі піролізу біомаси в [21] проведено широкі числові до-
слідження процесу термолізу Bagasse і Wood Birch.
Розглядалися різні варіанти прогріву шару за рахунок: а)
електронагріву зовнішньої та внутрішньої поверхонь пі-
ролізера; б) електронагріву зовнішньої поверхні та обіг-
ріву внутрішньої поверхні піролізера продуктами зго-
ряння; в) електронагріву зовнішньої поверхні піролізера
та комбінованого обігріву внутрішньої поверхні: у перші
20 с використовується електронагрів, далі − теплова ене-
ргія продуктів згоряння з температурою 1300 С. Пока-
зано, що швидкість прогрівання шару частинок Bagasse в
разі використання двох електронагрівачів, розташованих
на зовнішній і внутрішній поверхнях піролізера, стано-
вить 736 С/хв. Тут теплоємність біомаси обчислювали,
виходячи з такого виразу [21]:
)101,07100,60594,1868(0,1 2
p
-8
p
-4
p,a ttc −+= , (1)
тому значення теплоємності в межах досліджуваних те-
мператур 100 < tp < 850 С близькі до одиниці.
Постановка задачі. Початкові умови для піролізера с фи-
ксованим шаром 6 (рис. 1 з [20]). Варіант I:
Hbed = 450 мм, δ0 = 10 мм, ε = 0,477, ρp0 = 617,5 кг/м3
(на суху масу Wood Birch), tp0 = 100 С, D = 220 мм,
d = 150 мм, Склад легкого газу (у масових частках):
CO = 0,46, CO2 = 0,08, H2 = 0,015, H2O = 0,23,
C6H6,2O0,2 = 0,058 і C1,16H4 = 0,157 [22]. Елементарний
склад палива наведено в [21]. Тут застосовується схема
підведення теплової енергії з використанням двох еле-
ктронагрівачів, розташованих на зовнішній і внутрішній
поверхнях піролізера, а теплоємність біомаси розрахо-
вують з використанням виразу [23]:
1000/))273( 1500( pbp, ++= tc . (2)
Граничні умови для варіанта I: tpI(τ, r = 0,075 м) = tpI(τ,
r = 0,11 м) = 950 С. Варіант II відрізняється від варіанта I
виразом для визначення теплоємності біомаси:
charp,birchbirchbp,cp, )γ1( γ ccc −+=
, (3)
де теплоємність char обчислюється за формулою [24]:
++−++= −− 2
p
6
p
3
charp, )273(103160)273(104410 -334( ttc
1000/))273(10119)273(101010 4
p
123
p
9 +−++ −− tt . (4)
З виразу (3) випливає, що значення теплоємності біо-
маси залежить не тільки від температури, а й від кіль-
кості летких речовин, що залишилися в частинці.
Якщо, наприклад, в частинці 100 % летких речовин, то
формула (3) переходить у вираз (2). Якщо вийшли всі
леткі речовини і залишився один коксозольний зали
шок, формула (3) трансформується в залежність (4).
Початкові та граничні умови у варіанті III такі самі, як
у варіанті II. У варіанті III у рівнянні теплової енергії
частинок біомаси включено додатковий член, що вра-
ховує тепловий ефект процесу терморозпаду в інтер-
валі температур 270 ≤ tp ≤ 450 С:
termol
d
volet0
biomasp
піреф,
pp
p
100
ρ
τ
γ
λ
τ
)ε1(ρ Q
V
r
t
r
rr
tc
−
=
− , (5)
На відміну від варіантів I та II [20]:
=
−
r
t
r
rr
tc p
піреф,
pp
p λ
τ
)ε1(ρ , (6)
де Qtermol − тепловий ефект процесу терморозпаду,
приймається згідно з рекомендаціями [25]:
Qtermol = 1000−1250 кДж/кг; ∂γbiomas/∂τ − обчислюється
за першим рівнянням (19) з [20]. Початкові та граничні
умови для варіантів IV−VI: висота шару Hbed, діаметр ча-
стинок δ0, порозність шару ε, щільність частинок ρp0,
внутрішній діаметр труби піролізера d та початкова те-
мпература частинок tp0 такі самі, як і у варіанті I. Міні-
мальна температура прогрівання шару tp,min = 700 С.
Щільність частинок ρp0 = 617,5 кг/м3 постійна. У кож-
ному варіанті виконувалося два розрахунки за uпір.g = 0
і uпір.g = 2 м/с. Задавалися такі граничні умови на стін-
ках труб 53 і 7 (рис. 1 з [20]): tp(τ, r = 0,075 м)= 950 С і
tp(τ, r = 0,11 м) = 950 С. Варіанти IV−VI різнилися між
собою діаметром труби 53: DIV = 220 мм, DV = 240 мм і
DVI = 300 мм.
Аналіз результатів розрахунку процесу піролізу. Розг-
лянемо вплив теплоємності біомаси cp(tp) на час про-
грівання шару частинок Wood Birch. З виразів (1) і (2)
випливає, що значення теплоємності cp,b(tp), розрахо-
вані за формулою (2), істотно перевищують величини
cp,a(tp), обчислені з виразу (1), тому час прогрівання
шару з використанням формули (1) буде набагато мен-
шим, ніж час прогрівання з урахуванням залежності
(2).
123
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
Рис. 1. Розподіл температури частинок Wood Birch за перерізом шару для варіантів I (a), II (b) і III (c) залежно
від часу, с: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 36; 4 – 40; 5 – 44; 6 – 48; 7 – 52; 8 – 56; 9 – 60; 10 – 64; 11 – 72; 12 – 76
Fig. 1. Temperature distribution of Wood Birch particles along the bed cross-section for variants I (a), II (b) and III (c) as a
function of time, s: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 36; 4 – 40; 5 – 44; 6 – 48; 7 – 52; 8 – 56; 9 – 60; 10 – 64; 11 – 72; 12 – 76
У [21] наведено результати розрахунків температурних
полів частинок Bagasse з використанням двох електро-
нагрівачів, розташованих на зовнішній і внутрішній по-
верхнях піролізера (рис. 2, a з [21]). Показано, що час
прогрівання шару частинок Bagasse до мінімальної тем-
ператури tp,min = 646 С з використанням (1) у рівнянні (6)
становив 60 с, а швидкість прогрівання шару – 646 С/хв.
Швидкість прогрівання шару до середньої температури
частинок tp,ср = 736 С дорівнює 736 С/хв. Оскільки
щільність частинок Bagasse ρp0 = 806 кг/м3 (на суху масу)
в 1,3 раза більша за щільність сухої деревини Wood
Birch, отже, швидкість прогрівання шару до середньої
температури частинок tp,ср = 736 С підвищиться від 736
до 956,8 С/хв, до мінімальної температури
tp,min = 646 С – від 646 до 840 С/хв. При цьому час про-
грівання шару зменшиться до 46,2 с. У разі викорис-
тання в розрахунках піролізу Wood Birch виразу (2) час
прогрівання шару до tp,min = 639 С становитиме 72 с, а
швидкість прогрівання шару впаде від 840 до 533 С/хв
(рис. 1, a). Якщо орієнтуватися за середньою температу-
рою tp,ср = 795 С, то швидкість прогрівання знизиться
від 956,8 до 662 С/хв. Якщо використовувати формулу
(3) для розрахунку теплоємності біомаси у рівнянні теп-
лової енергії біомаси (6), швидкість прогрівання шару у
варіанті II підвищується порівняно з варіантом I: від 533
до 623,4 С/хв за tp,min = 665 С і τ = 64 с; від 662 до
757,5 С/хв за tp,ср = 808 С і τ = 64 с (крива 10 на
рис. 1, b). Найбільші значення теплоємності згідно з ви-
разом (2) отримано за високих температур (tp = 950 С,
cp,b = 2,723 кДж/(кг·K)), коли в частинці практично немає
летких речовин і вона складається здебільшого з коксо-
зольного залишку, теплоємність якого істотно нижча,
ніж теплоємність біомаси (див. (2) і (4); порівняти криві
1 і 2 на рис. 2, a).
Ми вважаємо, що обчислювати теплоємність частинок
за формулою (2) за високих температур за відсутності в
дискретній фазі летких речовин недоцільно. У цьому
разі необхідно використовувати залежність (4)
(tp = 950 С, cp,char = 1,91 кДж/(кг·K); крива 2 на рис. 2, a).
Виходячи з цього, ми пропонуємо в розрахунках
піролізу біомаси використовувати вираз (3) у рівнянні
(5), в якому значення теплоємності залежить не тільки
від температури частинок, а й від кількості летких речо-
вин, які залишилися в частинці (tp = 950 С, r = 0,075 м,
cp,c = 1,91 кДж/(кг·K); крива 3 на рис. 2, b).
Рис. 2. Розподіл теплоємності cp,b, cp,char (a) і cp,c (b) за
перерізом шару в момент часу τ = 28 с залежно від ви-
разу: 1 – формула (2); 2 – (4); 3 – (3)
Fig. 2. Distribution of heat capacities cp,b, cp,char (a) and cp,c
(b) along the bed cross-section at the moment of time
τ = 28 s depending on the expression: 1 – formula (2); 2 –
(4); 3 – (3)
Нагадаємо, що результати розрахунків процесу термо-
лізу у варіантах I і II та наведені в [21] отримані без ура-
хування теплового ефекту процесу терморозпаду в рів-
нянні теплової енергії частинок біомаси (6). Розглянемо
вплив теплового ефекту процесу терморозпаду (див.
(5)) на час прогрівання шару частинок Wood Birch (варі-
ант III; рис. 1, c). На рис. 1, c видно, що час прогрівання
шару частинок Wood Birch до мінімальної температури
tp,min = 629 С становив 48 с (крива 6), швидкість прогрі-
вання шару до tp,min = 629 С − 786,3 С/хв, до
tp,ср = 789,5 С – 987 С/хв.
У [20, 21] температури на зовнішній і внутрішній стінках
піролізера tp(τ, r = 0,11 м) = 850 С і tp(τ,
r = 0,075 м) = 800 С (граничні умови) нижчі, ніж у варіа-
нтах I−III: tp(τ, r = 0,11 м) = tp(τ, r = 0,075 м) = 950 С. Це
зумовлено тим, що значення теплоємностей cp,a у [21],
124
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
які обчислюються за формулою (1), істотно нижчі, ніж у
варіантах I−III (див. (2)−(4)), що призводить до
підвищення теплових потоків qw+ і qw−, які падають на
поверхню піролізера (порівняти рис. 1, a з [21] і рис. 3).
Рис. 3. Розподіл зовнішніх теплових потоків і температури димових газів залежно від часу для варіантів I (a), II
(b) і III (c): 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
Fig. 3. Distribution of external heat fluxes and flue gas temperature as a function of time for variants I (a), II (b) and III (c):
1 – heat flux falling on the outer pipe surface – qr=0.11+; 2 – heat flux falling on the inner pipe surface – qr=0.075-; 3 – flue gas
temperature
На рис. 3, b і c видно, що криві 1–3 у варіанті III убувають
значно швидше, ніж у варіанті II, через виділення дода-
ткового внутрішнього тепла під час терморозпаду в діа-
пазоні температур 270 ≤ tp ≤ 450 С.
З рис. 1, c (крива 4) випливає, що перепад температур
частинок Wood Birch по перерізу піролізера змінюється
від tpIII(τ = 40 с, r = 0,11 м) = 950 С до tpIII(τ = 40 с,
r = 0,0924 м) = 192 С. З плином часу у фіксованій точці
піролізера, наприклад r = 0,0924 м, температура
змінюється від tpIII(τ = 40 с, r = 0,0924 м) = 192 С до
tpIII(τ = 48 с, r = 0,0924 м) = 629 С (криві 4 і 5 на рис. 1, c).
У [20] зазначалося, що склад первинних газових компо-
нентів )(CO gtn , )(
2CO gtn , )(
2H gtn , )(OH2 gtn і
)(
41.16HC gtn в кожному елементарному об’ємі Hbedrdr за-
лежить від температури цього об’єму в момент часу,
який ми розглядаємо (формули (25) з [20]), що підтвер-
джується рис. 4−6.
Рис. 4. Розподіл об’ємних (a) та масових (b) часток компонентів первинного піролізного газу для варианта III
залежно від температури при τ = 20 с: 1 – H2О; 2 – CO2; 3 – CO; 4 – H2; 5 – C1,16H4
Fig. 4. Distribution of volume (a) and mass (b) fractions of primary pyrolysis gas components for variant III as a function
of temperature at τ = 20 s: 1 – H2О; 2 – CO2; 3 – CO; 4 – H2; 5 – C1.16H4
125
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
Рис. 5. Розподіл об’ємних часток компонентів первинного піролізного газу H2О (a), H2 (b), CO2(c), CO (d), C1,16H4 (e) за
перерізом нерухомого шару частинок Wood Birch для варианта III залежно від часу, с: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 28; 4 – 36; 5 – 44
Fig. 5. Distribution of volume fractions of primary pyrolysis gas components H2О (a), H2 (b), CO2(c), CO (d), C1.16H4 (e) across the
cross-section of the fixed bed of Wood Birch particles for variant III depending on time, s: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 28; 4 – 36; 5 – 44
Рис. 6. Розподіл об’ємних часток компонентів змішаного піролізного газу (первинного + вторинного) CO2 (a), CO
(b), H2 (c), H2О (d), C1,16H4 (e) і C6H6,2O0,2 (f) за перерізом нерухомого шару частинок Wood Birch для варианта III
залежно від часу, с: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 36; 4 – 40; 5 – 44
Fig. 6. Distribution of volume fractions of mixed pyrolysis gas components (primary + secondary) CO2 (a), CO (b), H2 (c),
H2О (d), C1.16H4 (e) і C6H6.2O0.2 (f) across the cross-section of a fixed bed of Wood Birch particles for variant III depending
on time, s: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 36; 4 – 40; 5 – 44
126
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
На рис. 4 і 5 видно, що з підвищенням температури се-
редовища від 273 до 800 С відбувається зменшення
вмісту діоксиду вуглецю
2COR
і пірогенної вологи
OH 2
R
в первинному піролізному газі та зростання значень
COR та
41.16HCR (криві 1–3, 5 на рис. 4; криві 1–5 на
рис. 5). Щодо водню, то значення функції
2HR (tg) на ді-
лянці 340 ≤ tg ≤ 626 С зростають від 18 до 25 %, далі
вміст водню в газі зменшується від 25 до 10 % (крива 4
на рис. 4, a).
Склад продуктів первинного піролізного газу за низьких
температур, наприклад за tg = 350–425 С, характеризу-
ється високим вмістом баласту CO2 = 21,8–19 % і
H2О = 53,1–45,4 % і малою концентрацією активної час-
тини газової суміші: CO = 3,3–10 % і C1,16H4 = 3,74–6 %.
Склад змішаного піролізного газу слабо відрізняється
від складу первинного піролізного газу при tg = 424 С
(рис. 6): CO2 = 17,3 %, CO = 12,1 %, H2 = 19,4 %,
C1,16H4 = 6,8 %, H2О = 44 %, N2 = 0,212 % і
C6H6,2O0,2 = 0,143 %. За високих температур tg = 800 С ві-
дмінності у складах розглянутих газів також невеликі:
первинний газ – CO2 = 9,11 %, CO = 35,670 %,
H2 = 13,84 %, C1,16H4 = 18,95%, H2О = 22,22 %,
N2 = 0,188 %; змішаний піролізний газ: CO2 = 3,79 %,
CO = 34,2 %, H2 = 15,670 %, C1,16H4 = 18,25 %,
H2О = 26,6 %, N2 = 0,212 % і C6H6,2O0,2 = 1,48 % (на суху
масу: CO2 = 5,163 %, CO = 46,6 %, H2 = 21,35 %,
C1,16H4 = 24,86 % (CH4 = 17,4 % і C2H4 = 7,46 %),
N2 = 0,289 % і C6H6,2O0,2 = 2,016 %). Нагадаємо, що зміша-
ний піролізний газ отримано з використанням складу
вторинного газу, представленого в роботі [22]. У резуль-
таті широких числових досліджень, проведених на бага-
тьох марках біомаси, нами було уточнено склад вторин-
ного газу (у масових частках): CO = 0,464, CO2 = 0,101,
H2 = 0,01, H2O = 0,23, C6H6,2O0,2 = 0,058 і C1,16H4 = 0,137 [21].
З використанням скоригованого складу легкого газу ро-
зраховано новий склад змішаного піролізного газу при
tg = 800 С: CO2 = 5,11 %, CO = 36,8 %, H2 = 11,14 %,
C1,16H4 = 16,98 %, H2О = 28,4 %, N2 = 0,212 % і
C6H6,2O0,2 = 1,58 % (на суху масу: CO2 = 7,14 %,
CO = 51,4 %, H2 = 15,56 %, C1,16H4 = 23,72 % (CH4 = 16,6 % і
C2H4 = 7,116 %), N2 = 0,296 % і C6H6,2O0,2 = 2,2 %). В отри-
маному новому складі змішаного піролізного газу во-
дню в 1,372 раза менше, ніж у попередньому складі. У
[26] наведено експериментальні дані складу піроліз-
ного газу, отриманого з частинок Wood Birch при
tg = 800 С: CO2 = 8,3 %, CO = 50,70 %, H2 = 16,8 %,
CH4 = 16,2 % і C2H4 = 7,9 %. Видно, що новий склад газу
точніше за попередній описує результати експериме-
нту. Для порівняння з експериментальними даними [26]
при tg = 750 С: CO2 = 13,4 %, CO = 47,0 %, H2 = 10,1 %,
CH4 = 19,8 % і C2H4 = 9,70 % перерахуємо склад первин-
ного піролізного газу на суху масу при tg = 750 С і τ = 20
с: CO2 = 11,70 %, CO = 45,86 %, H2 = 17,8 %,
C1,16H4 = 24,36 % (CH4 = 17 % і C2H4 = 7,36 %) і N2 = 0,24 %.
Видно задовільний збіг результатів розрахунку з дослід-
ними даними [26]. З вищевикладеного випливає, що за
низьких температур виходить низькокалорійний газ, за
високих – середньокалорійний газ. Наше завдання –
отримати середньокалорійний піролізний газ. Склад пі-
ролізного газу на виході з піролізера формується із суми
витрат змішаних піролізних газів, що виділилися в кож-
ному елементарному об’ємі Hbedrdr. Повну витрату газу,
що йде з піролізера, можна умовно розділити на дві ви-
трати: витрати низькокалорійних і середньокалорійних
газів. Якщо кількість низькокалорійних газів буде прева-
лювати над витратою середньокалорійних газів, тоді
газ, що йде з піролізера, міститиме багато баласту і ма-
тиме низьку теплотворну здатність. Цього не можна до-
пустити. Звідси випливає мета роботи – скоротити час
перебування частинок у зоні низьких температур, тобто
необхідно організувати швидке прогрівання фіксова-
ного шару. З цієї причини було підвищено температуру
зовнішньої і внутрішньої поверхонь нагріву піролізера
від 850 [21] до 950 С і від 800 [21] до 950 С, внаслідок
чого підвищилися ударні теплові потоки в початковий
момент часу τ = 1 с: qr=0.11+ − від 203,2 [21] до
323 кДж/(с·м2) і qr=0.075- − від 187,16 [21] до
330,6 кДж/(с·м2) (7 і 53 на рис. 1, a [20]). Особливе місце
в організації швидкого прогрівання шару належить вну-
трішньому джерелу теплової енергії − тепловому ефекту
процесу терморозпаду (другий член правої частини па-
раболічного рівняння (5)) в інтервалі температур 270 ≤ tp
≤ 450 С. Зіставимо профілі температур частинок біомас
(Bagasse і Wood Birch) з урахуванням внутрішнього дже-
рела теплової енергії (крива 5 на рис. 1, с) і без ураху-
вання теплового ефекту (крива 5 на рис. 2, a [21] і крива
3 на рис. 6, a [21]).
На рис. 1, с, 2, a [21] і 6, a [21] видно, що об’єми частинок,
які належать температурному інтервалу tp,min ≤ tp ≤
450 С (tp,min = 366−388 С) розташовані в зоні, де функ-
ція tp(τ, r) має мінімум. Характер кривих у цій області на-
гадує профіль воронки. Воронка, що належить кривій 5
на рис. 1, с, отриманій з урахуванням теплового ефекту,
виявляється вужчою (∆r = 0,0022 м), ніж воронки, що на-
лежать кривим 3 (∆r = 0,0068 м) і 5 (∆r = 0,0068 м), отри-
маним без урахування теплового ефекту (див. рис. 2, a і
6, a [21]). Таким чином, урахування внутрішнього дже-
рела теплової енергії дає змогу в 3 рази зменшити
об’єм, який займають частинки, що належать темпера-
турному інтервалу tp,min ≤ tp ≤ 450 С, тим самим змен-
шити кількість низькокалорійних газів і підвищити шви-
дкість прогрівання нерухомого шару. Оскільки
компоненти CO і C1,16H4 залежать від температури части-
нок, то характер розподілу кривих
COR (τ, r) і
41,16HCR (τ,
r) буде подібний до профілю функції tp(τ, r) (див. рис. 1, c
і рис. 5, d, e). Воронки профілів
COR (τ, r) і
41,16HCR (τ, r)
(в інтервалі температур tp,min ≤ tp ≤ 450 С, тобто в районі
мінімумів залежностей
COR (τ, r) і
41.16HCR (τ, r)) будуть
вужчими, ніж у кривих
COR (τ, r) і
41.16HCR (τ, r), отрима-
них без урахування теплового ефекту [21] (порівняти
криві 5 на рис. 5, d, e і криві 5 на рис. 5, e, f [21] та криві
3 на рис. 6, g [21]). З огляду на це кількість активної
127
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
частини піролізного газу, що виходить з частинок у зоні
низьких температур (з урахуванням теплового ефекту),
значно зменшиться.
Ще одним з ефективних способів підвищення швидкості
прогрівання шару є рециркуляція піролізних газів з тем-
пературою 800 С у фіксований шар піролізера (19, 40
рис. 1 [20]). На рис. 7 і 8 наведено температурні поля в
нерухомому шарі частинок Wood Birch з урахуванням
(рис. 8) і без урахування (рис. 7) рециркуляції високоте-
мпературних піролізних газів для варіантів IV−VI. Розра-
хунки розглянутих варіантів виконувалися з використан-
ням пакета прикладних програм Ansys CFX. Короткий
опис цього пакета програм наведено в [21].
a b c
100 c 250 c 405 с
d e f
100 с 250 с 616 c
g h i
100 c 250 c 1482 c
Рис. 7. Розподіл температур у нерухомому шарі частинок Wood Birch залежно від часу та схеми прогрівання біо-
маси (за рахунок двох електронагрівачів) і діаметра зовнішнього циліндра D, мм: a−c − 220; d−f − 240; g−i − 300
Fig. 7. Temperature distribution in a fixed bed of Wood Birch particles as a function of time and scheme of biomass
heating (by 2 electric heaters) and outer cylinder diameter D, mm: a−c − 220; d−f − 240; g−i − 300
128
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
a b c
100 c 201 c 292 с
d e f
101 с 200 с 309 c
Рис. 8. Розподіл температур у нерухомому шарі частинок Wood Birch залежно від часу та схеми прогрівання
біомаси (за рахунок двох електронагрівачів і рециркуляції піролізних газів з температурою 800 С) і діаметра
зовнішнього циліндра D, мм: a−c − 220; d−f − 240
Fig. 8. Temperature distribution in the fixed bed of Wood Birch particles as a function of time and scheme of biomass
heating (by 2 electric heaters and pyrolysis gases recirculation with a temperature of 800 С) and the diameter of the
outer cylinder D, mm: a−c − 220; d−f − 240
На рис. 7, c видно, що час прогрівання частинок Wood
Birch до температури 700 С з використанням двох еле-
ктронагрівачів при DIV = 220 мм становить τ = 405 с (ва-
ріант IV). У разі додавання третього джерела теплової
енергії (рециркуляції піролізних газів з температурою
800 С) час прогрівання шару зменшиться в 1,39 раза і
становитиме 292 с (рис. 8, c). Як зазначалося вище, у ва-
ріанті III швидкість прогрівання шару до мінімальної те-
мператури tp,min = 629 С за рахунок тепла від двох елек-
тронагрівачів з урахуванням зміни щільності частинок і
впливу внутрішнього джерела теплової енергії стано-
вить 786,3 С/хв, а швидкість прогрівання шару до сере-
дньої температури tp,ср = 789,5 С протягом τ = 48 с –
987 С/хв. Отже, можна прогнозувати, що час прогрі-
вання шару з урахуванням впливу рециркуляції піроліз-
них газів становитиме 34,5 с, а швидкість його прогрі-
вання до температури tp,ср = 789,5 С сягне 1373 С/хв.,
що відповідає атрибуту швидкого піролізу частинок
Wood Birch.
Як зазначалося в [21], одним із недоліків способу шви-
дкого піролізу з використанням двох електронагрівачів
є невеликий міжтрубний зазор 35 мм, де розташову-
ється фіксований шар піролізера. З розширенням цього
зазору до 40 мм швидкість прогрівання фіксованого
шару зменшується. З метою усунення цього недоліку
необхідно використовувати рециркуляцію піролізних
газів з температурою 800 С. У цьому разі час прогрі-
вання шару частинок Wood Birch у варіантах V і VI зале-
жно від діаметра D становитиме: якщо DV = 240 мм −
τ = 309 с (рис. 8, f); DVI = 300 мм − τ = 328 с. Отже, в разі
збільшення діаметра D від 220 до 240 мм і від 220 до
300 мм час прогрівання шару зростає в 1,06 і 1,123
раза, тож швидкості прогрівання фіксованого шару
зменшаться від 1373 до 1295,3 С/хв та від 1373 до
1223 С/хв відповідно. Отримані швидкості
129
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
прогрівання шару відповідають швидкому піролізу ча-
стинок Wood Birch.
Нагадаємо, що модель процесу терморозпаду склада-
ється з трьох паралельних первинних реакцій розкла-
дання активної частини, що виділилася з частинки біо-
маси, на первинний піролізний газ, char та смолу, і двох
вторинних реакцій − перетворення смоли на легкий
(вторинний) газ і char за рахунок процесу крекінгу. Про-
цес терморозпаду проілюстровано на рис. 9. На рис. 9, a
видно, що з плином часу 0 < τ ≤ 44 c процес розпаду ак-
тивної частини, що виділилася з частинки біомаси, змі-
щується від зовнішньої та внутрішньої поверхонь
нагрівання піролізера (криві 1) вглиб нерухомого шару
(криві 5), займаючи при цьому малий об’єм на ділянці
∆r = 0,0055 м, розташованій у центральній частині піро-
лізера. При τ = 48 c активна частина, що виділилася з ча-
стинки біомаси, зникає (крива 6 на рис. 9, a) і залиша-
ються сліди смоли
birch
IIIсмол,γ = 0,82 % (крива 6 на
рис. 9, b). Це свідчить про те, що практично вся смола
перетворилася на легкий газ. Невеликий максимум на
кривій 6 (рис. 9, c) пов‘язаний з протіканням вторинної
реакції смола → газ у центральній частині піролізера
[20].
Рис. 9. Розподіл за перерізом нерухомого шару піролізера активної частини вихідної біомаси марки Wood Birch
γbirch,III, що виділилася (a), масових часток продуктів термолізу: смоли
birch
IIIсмол,γ (b), змішаного піролізного газу
birch
IIIg,γ (c) та char
birch
IIIchar,γ (d) для варіанта III залежно від часу, с: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 28; 4 – 36; 5 – 44; 6 – 48
Fig. 9. Distribution along the cross-section of the fixed bed of the pyrolyzer of the released active part of the initial
biomass of Wood Birch γbirch,III (a), mass fractions of thermolysis products: tar
birch
IIIсмол,γ (b), mixed pyrolysis gas
birch
IIIg,γ (c)
and char
birch
IIIchar,γ (d) for variant III in dependence on time, s: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 28; 4 – 36; 5 – 44; 6 – 48
Обговоримо ще одне важливе питання, пов’язане з кі-
лькістю теплоти, підведеної ззовні за рахунок електрое-
нергії, у разі обігріву шару піролізера двома (рис. 10, a)
або трьома (рис. 10, b) джерелами теплової енергії. На
рис. 10 видно, що в початковий момент часу (τ = 5 с),
коли значення теплосприйнятття поверхонь нагрівання
піролізера за рахунок електронагріву досягає мак-
симумів Qт.в. = 7201 Вт (крива 12 на рис. 10, b) і
Qт.в. = 9196 Вт (крива 6 на рис. 10, a), теплосприйняття
зовнішньої поверхні піролізера, зумовлене трьома дже-
релами теплової енергії (рис. 10, b), виявляється в 1,28
раза меншим, ніж теплосприйняття за рахунок двох
джерел енергії (рис. 10, a), про що також свідчать табл.
1 і 2.
130
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
Рис. 10. Розподіл теплосприйняття зовнішньої (4−6, 10−12) і внутрішньої (1−3, 7−9) поверхонь нагріву піролі-
зера залежно від часу та схеми організації піролізу: з двома електронагрівачами (a) і трьома джерелами те-
пла (двома електронагрівачами і рециркуляцією піролізного газу) (b), зовнішнього діаметра піролізера D: 1, 4, 7,
10 – 220 мм; 2, 5, 8, 11 – 240 мм; 3, 6, 9, 12 – 300 мм
Fig. 10. Heat perception distribution of external (4−6, 10−12) and internal (1−3, 7−9) pyrolyzer heating surfaces as a
function of time and pyrolysis organization scheme: with two electric heaters (a) and three heat sources (two electric
heaters and pyrolysis gas recirculation) (b), pyrolyzer external diameter D: 1, 4, 7, 10 – 220 мм; 2, 5, 8,11 – 240 мм; 3, 6,
9, 12 – 300 мм
Табл. 1. Кількість підведеної до поверхні піролізеру теплоти без рециркуляції піролізних газів
Table 1. The amount of heat supplied to the pyrolyzer surface without pyrolyzer gas recirculation
Без рециркуляції
Поверхня Сума,
кВт год внутрішня,
кВт год
зовнішня,
кВт год
220 мм 0,142834833 0,289384139 0,432218972
240 мм 0,238111111 0,528399306 0,766510417
300 мм 0,982023611 2,733565972 3,715589583
Табл. 2. Кількість підведеної до поверхні піролізеру теплоти з рециркуляцією піролізних газів
Table 2. The amount of heat supplied to the surface of the pyrolyzer with pyrolyzer gas recirculation
З рециркуляцією
Поверхня Сума, кВт год % зниження елет-
роенергії внутрішня,
кВт год
зовнішня,
кВт год
220 мм 0,087000208 0,179215097 0,266215306 38,4
240 мм 0,116535278 0,254862514 0,371397792 51,5
300 мм 0,193230375 0,540143681 0,733374056 80,3
Отже, підключення третього джерела теплової енергії –
піролізного газу з температурою 800 С, що рецирку-
люює, дає змогу скоротити кількість електричної енергії
на власні потреби.
Проаналізуємо ще одну схему підведення теплової ене-
ргії до поверхонь нагріву піролізера (варіант VII), що дає
змогу зменшити кількість електричної енергії на власні
потреби (табл. 3). У перші 180 с відбувається електрона-
грів зовнішньої та внутрішньої поверхонь нагріву піролі-
зера за постійних температур стінок
tw(r = 0,075 м) = tw(r = 0,11 м) = 950 С. Далі здійснюєть-
ся відключення електронагрівача, розташованого на
внутрішній поверхні піролізера, після чого відбувається
обігрів внутрішньої труби димовими газами з темпера-
турою 1300 С, що приводить до скорочення спожи-
вання електричної енергії на власні потреби на 12,18 %.
На відміну від [27], де використовується одностороннє
підведення теплової енергії, тут застосовується двосто-
роннє підведення енергії через зовнішню (D = 220 мм) і
внутрішню (d = 150 мм) поверхні піролізера. Тому про-
дукти піролізу виділяються як у приосьовій зоні, так і в
пристінкових областях (рис. 11, 12). Функції витрат
131
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
газових компонентів мають дзвоноподібні профілі, які
розташовуються локально по перерізу піролізера у вузь-
кому діапазоні ∆rj = rj+1−rj. На відміну від [27], де з пли-
ном часу відбувається зміщення профілів витрат до осі
реторти, тут зміщення дзвоноподібних профілів
здійснюється вглиб піролізера зі зменшенням максима-
льних значень амплітуд газових компонентів.
Табл. 3. Кількість підведеної теплоти до поверхонь нагріву піролізера залежно від схеми підводу теплової енергії
Table 3. The amount of heat supplied to the heating surfaces of the pyrolyzer depending on the heat supply scheme
Діаметр труби, мм Поверхня
D = 220, d = 150
внутрішня,
кВт год
зовнішня,
кВт год
внутрішня + зовнішня,
кВт год
Схема підводу теплової енергії: електронагрів + рециркуляція піролізних газів
D = 220, d = 150 0,087000208 0,179215097 0,266215306
Схема підведення теплової енергії: електронагрів + рециркуляція піролізних газів + нагрів димовими газами
з температурою 1300 С внутрішньої поверхні
D = 220, d = 150 (електро-
нагрів
0 < τ ≤ 180 c)
0,054558611 0,179215097 0,233775306
d = 150
(димові газами
180 < τ ≤ 321 c)
0,03244 0 0,03244
Рис. 11. Розподіл витрат компонентів первинного піролізного газу H2 (a), CO2 (b), C1,16H4 (c), CO (d), H2О (e) за пе-
рерізом нерухомого шару для варіанта III залежно від часу, с: 1 – 4; 2 – 8; 3 – 12; 4 – 16; 5 – 20; 6 – 36; 7 – 40
Fig. 11. Distribution of primary pyrolysis gas components H2 (a), CO2 (b), C1.16H4 (c), CO (d), H2О (e) flow rates over the
fixed bed cross-section for variant III as a function of time, s: 1 – 4; 2 – 8; 3 – 12; 4 – 16; 5 – 20; 6 – 36; 7 – 40
132
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
Рис. 12. Розподіл витрат компонентів вторинного піролізного газу H2 (a), C1,16H4 (b), CO2 (c), CO (d), H2О (e) за
перерізом нерухомого шару для варіанта III залежно від часу, с: 1 – 4; 2 – 8; 3 – 12; 4 – 16; 5 – 20; 6 – 40
Fig. 12. Distribution of the secondary pyrolysis gas components H2 (a), C1.16H4 (b), CO2 (c), CO (d), H2О (e) over the fixed
bed cross-section for variant III as a function of time, s: 1 – 4; 2 – 8; 3 – 12; 4 – 16; 5 – 20; 6 – 40
Висновки
1. З використанням моделі процесу термоліза [20] про-
ведено широкі числові дослідження впливу теплоємно-
сті біомаси, граничних умов, рациркуляції піролізних га-
зів, зовнішніх теплових потоків і теплових ефектів
терморозпаду на швидкість прогрівання фіксованого
шару частинок Wood Birch.
2. Показано, що:
а) найбільші значення теплоємності частинок Wood
Birch 2,723 кДж/(кг·K) (див. (2) [23]) отримано за високих
температур, коли частинка складається переважно з ко-
ксозольного залишку, теплоємність (1,9 кДж/(кг·K))
якого істотно нижча за теплоємність біомаси. Для усу-
нення цього парадокса запропоновано новий вираз для
визначення теплоємності біомаси, в якому значення те-
плоємності частинок залежить не тільки від темпера-
тури [23], а й від кількості летких речовин, що залиши-
лися в частинці у момент часу, що розглядається;
б) врахування теплового ефекту процесу терморозпаду
в рівнянні теплової енергії частинок приводить до змен-
шення часу прогрівання шару частинок Wood Birch від
72 (tp,min = 639 С) до 48 с (tp,min = 629 С) та підвищення
швидкості прогрівання шару до 987 С/хв;
в) склад змішаного піролізного газу слабо відрізняється
від складу первинного піролізного газу;
г) склад продуктів первинного піролізного газу за низь-
ких температур (tg = 350–425 С), характеризується висо-
ким вмістом баласту CO2 і H2О та малою концентрацією
активної частини газової суміші − CO і C1,16H4;
д) склад первинного піролізного газу (на суху масу) при
tg = 750 С такий: CO2 = 11,70 %, CO = 45,86 %,
H2 = 17,8 %, C1,16H4 = 24,36 % (CH4 = 17 % і C2H4 = 7,36 %) і
N2 = 0,24 %, що задовільно збігається з експерименталь-
ними даними [26]: CO2 = 13,4 %, CO = 47,0 %, H2 = 10,1 %,
CH4 = 19,8 % і C2H4 = 9,70 %;
е) для скорочення часу перебування частинок у зоні ни-
зьких температур з метою зменшення кількості низько-
калорійних газів у суміші газів, що йдуть із піролізера,
було підвищено температуру поверхонь нагріву піролі-
зера від 850 [21] до 950 С і від 800 [21] до 950 С, а отже,
й ударні теплові потоки в початковий момент часу
τ = 1 с: qr=0,11+ − від 203,2 [21] до 323 кДж/(с·м2) і qr=0,075- −
від 187,16 [21] до 330,6 кДж/(с·м2);
ж) одним з ефективних способів підвищення швидкості
прогрівання шару є рециркуляція високотемпературних
піролізних газів, що надходять у зону піролізу. Це приво-
дить до зменшення часу прогрівання шару від 48 до
34,5 с, внаслідок чого швидкість прогрівання частинок до
температури tp,ср = 789,5 С зростає від 987 до 1373 С/хв.,
що відповідає швидкому піролізу частинок Wood Birch;
133
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
з) одним з недоліків способу швидкого піроліза з вико-
ристанням двох електронагрівачів є невеликий міжтру-
бний зазор 35 мм, де розташовується шар піролізера
[20, 21]. При підвищенні зовнішнього діаметра піролі-
зера від 220 до 240 мм і від 220 до 300 мм час прогріву
шару зростає в 1,06 і 1,123 раза, внаслідок чого швид-
кість прогрівання шару частинок Wood Birch зменшу-
ється від 1373 до 1295,3 С/хв, і від 1373 до 1223 С/хв
відповідно;
і) протягом 48 c активна частина, що виділилася з части-
нки біомаси, практично вся розкладається, і залиша-
ється лише мала частина смоли
birch
IIIсмол,γ = 0,82 %, що сві-
дчить про практично повне перетворення смоли на
легкий піролізний газ;
к) використання рециркуляції високотемпературних пі-
ролізних газів дає змогу зменшити зовнішні ударні теп-
лові потоки, що сприяє зменшенню споживання елект-
роенергії для власних потреб;
л) склад змішаного піролізного газу при tg = 800 С (на
суху масу): CO2 = 7,14 %, CO = 51,4 %, H2 = 15,56 %,
C1,16H4 = 23,72 % (CH4 = 16,6 % і C2H4 = 7,116 %),
N2 = 0,296 % і C6H6,2O0,2 = 2,2 %, отриманий з використан-
ням уточненого складу вторинного газу [21]: CO = 0,464,
CO2 = 0,101, H2 = 0,01, H2O = 0,23, C6H6,2O0,2 = 0,058 і
C1,16H4 = 0,137, точніше описує результати експерименту
при tg = 800 С: CO2 = 8,3 %, CO = 50,70 %, H2 = 16,8 %,
CH4 = 16,2 % и C2H4 = 7,9 % [26], ніж склад змішаного пі-
ролізного газу при tg = 800 С: CO2 = 5,163 %, CO = 46,6 %,
H2 = 21,35 %, C1,16H4 = 24,86 % (CH4 = 17,4 % і
C2H4 = 7,46 %, отриманий з використанням складу вто-
ринного газу, представленого в [22]: CO = 0,46,
CO2 = 0,08, H2 = 0,015, H2O = 0,23, C6H6,2O0,2 = 0,058 і
C1,16H4 = 0,157;
м) одним із методів зменшення споживання електрич-
ної енергії на 12,18 % є комбінований обігрів внутріш-
ньої поверхні піролізера: протягом 180 с відбувається
електронагрівання поверхні, далі − його знеструмлення,
після чого внутрішня поверхня піролізера нагрівається
за рахунок тепла димових газів з tg = 1300 С.
ПОСИЛАННЯ
1. Sinag A., Kruse A., Schwarzkopf V. Formation and deg-
radation pathways of intermediate products formed
during the hydropyrolysis of glucose as a model sub-
stance for wet biomass in a tubular reactor. Eng. Life Sci.
2003. Vol. 3. Pp. 469–473.
2. Kabyemela B., Adschiri T., Arai K. Degradation kinetics
of dihydroxyacetone and glyceraldehyde in subcritical
and supercritical water. Ind. Eng. Chem. Res. 1997. Vol.
36. Pp. 2025–2030.
3. Kruse A., Gawlik A. Biomass conversion in water at 330-410
DegC and 30-50 MPa. Identification of Key Compounds for
Indicating Different Chemical Reaction Pathways. Ind. Eng.
Chem. Res. 2003. Vol. 42. Pp. 267–279.
4. Heidenreich. S., Foscolo P. New concepts in biomass
gasification. Progress in Energy and Combustion Sci-
ence. 2015. Vol. 46. Pp. 72–95.
5. Офиційний сайт LiPRO Energy GmbH & Co. KG.
www.lipro-energy.de.
6. Chembukulam S. K., Dandge. A. S., Kovilur N. L. et al.
Smokeless Fuel from Carbonized Sawdust. Ind. Eng.
Chem. Prod. Res. Dev. 1981. Vol. 20. Pp. 714–719.
7. Suna Q., Yua S., Wangb F., Wang J. Decomposition and
gasification of pyrolysis volatiles from pine wood through
abed of hot char. Fuel. 2011. Vol. 90. Pp. 1041–1048.
8. Батенин В. М. Термические методы переработки
древесины и торфа в энергетических целях. Теп-
лоэнергетика. 2010. № 11. С. 36–42.
9. Батенин В. М., Зайченко В. М., Косов В. Ф., Синель-
щиков В. А. Пиролитическая конверсия биомассы в
газообразное топливо. Доклады Академии наук.
2012. Т. 446. № 2. С. 179–182.
10. Беляков В. П. Криогенная техника и технология. М.:
Энергоиздат. 1982. 272 с.
11. ГОСТ 2939-63 Газы. Условия для определения
объема. М.: Издательство стандартов. 1988. 3 с.
12. Drift A., Boerrigter H., Coda B., Cieplik M., Hemmes K.
Entrained Flow Gasification of Biomass — Ash Behavior,
Feeding Issues and System Analyses. Energy Research
Center of the Netherlands, Petten. 58 p.
13. Basu P. Biomass Gasification. Pyrolysis and Torrefaction
(Second Edition). Practical Design and Theory. Dalhou-
see University and Greenfield Research Incorporated.
Acad. Press. 2013. 552 p.
14. Review of Technologies for Gasification of Biomass and
Wastes. Final report: NNFCC project 09/008. E4tech.
2009. 130 p.
15. Chhiti Y., Kemiha M. Thermal Conversion of Biomass.
Pyrolysis and Gasification: A Review / Younes Chhiti.
Mohammed. The International Journal of Engineering
And Science (IJES). 2013. Vol. 2, № 3. Pp. 75–85.
16. Рахманкулов. Д. Л., Вильданов Ф. Ш., Латыпова Ф. Н.,
Чанышев Р. Р., Ишбулатов Р. Ф. Современные ме-
тоды газификации биомассы. Башкирский химиче-
ский журнал. 2010. Т. 17. № 2. С. 36–42.
17. Review of Finnish biomass gasification technologies: OPET
Report 4. Vienna. University of Technology. 2002. Pp. 1–19.
18. Mason J. Downdraft gasification system and method:
USA Patent Application (Application #20150232768). All
power labs. Inc. Aug 20, 2015.
19. Жовтянський В. А., Дудник О. М., Остапчук М. В., Со-
коловська І. С. Конверсія вуглецевмісної сировини з
використанням плазм вих технологій. Экотехнології
и ресурсозбереження. 2023. № 4. С. 90−112.
20. Рохман Б. Б. Кобзар С. Г. Конструктивні особливості
дослідної установки та числові дослідження про-
цесу термохімічної переробки біомаси. Ч. 1. Опис ре-
актора та моделювання робочого процесу. Віднов-
лювана енергетика. 2024. № 2. С. 123−136.
21. Рохман Б. Б., Кобзар С. Г. Конструктивні особливості
дослідної установки та числові дослідження про-
цесу термохімічної переробки біомаси. Ч. 2. Аналіз
процесу піролізу в апараті з фіксованим шаром. Від-
новлювана енергетика. 2024. № 3. С. 153−165.
22. 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.
134
Відновлювана енергетика. №4/2024 |Біоенергетика
23. Blank M., Benesch C., Knauss G., Petermeier P., Brun-
ner T., Obernberger I. TAR AND SOOT MODELLING OF
PRODUCER GAS FROM BIOMASS PYROLYSIS AND UP-
DRAFT GASIFIERS. 31st European Biomass Conference
and Exhibition. June 2023. Bologna, Italy. Pp. 581−587.
24. Thunman H., Niklasson F., Johnsson F. and Leckner Bo.
Composition of Volatile Gases and Thermochemical
Properties of Wood for Modeling of Fixed or Fluidized
Beds. Energy & Fuels. 2001. № 15. Pp. 1488−1497.
25. Гордон Л. В. и др. Технология и оборудование лесохи-
мических производств. М.: Лесн. пром-сть. 1979. 288 c.
26. 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.
27. Рохман Б. Б., Кобзар С. Г. Дослідження кінетики про-
цесу піролізу біомаси у фіксованому шарі. 1. Моделю-
вання та чисельний аналіз термічного розкладання лі-
гніну. Енерготехнології та ресурсозбереження. 2024.
№ 1. С. 84−94.
REFERENCES
1. Sinag A., Kruse A., Schwarzkopf V. Formation and deg-
radation pathways of intermediate products formed
during the hydropyrolysis of glucose as a model sub-
stance for wet biomass in a tubular reactor. Eng. Life Sci.
2003. Vol. 3. Pp. 469–473.
2. Kabyemela B., Adschiri T., Arai K. Degradation kinetics
of dihydroxyacetone and glyceraldehyde in subcritical
and supercritical water. Ind. Eng. Chem. Res. 1997. Vol.
36. Pp. 2025–2030.
3. Kruse A., Gawlik A. Biomass conversion in water at 330-
410 DegC and 30-50 MPa. Identification of Key Com-
pounds for Indicating Different Chemical Reaction Path-
ways. Ind. Eng. Chem. Res. 2003. Vol. 42. Pp. 267–279.
4. Heidenreich. S., Foscolo P. New concepts in biomass
gasification. Progress in Energy and Combustion Sci-
ence. 2015. Vol. 46. Pp. 72–95.
5. Official website LiPRO Energy GmbH & Co. KG.
www.lipro-energy.de.
6. Chembukulam S.K., Dandge. A.S., Kovilur N.L. et al.
Smokeless Fuel from Carbonized Sawdust. Ind. Eng.
Chem. Prod. Res. Dev. 1981. Vol. 20. Pp. 714–719.
7. Suna Q., Yua S., Wangb F., Wang J. Decomposition and
gasification of pyrolysis volatiles from pine wood through
abed of hot char. Fuel. 2011. Vol. 90. Pp. 1041–1048.
8. Batenin V. M. Thermal methods of wood and peat pro-
cessing for energy purposes. Teploenergetika. 2010.
Vol. 11. Pp. 36–42.
9. Batenin V. M., Zaichenko V. M., Kosov V. F., Sinelsh-
chikov V. A. Pyrolytic conversion of biomass into gase-
ous fuel. Reports of the Academy of Sciences. 2012. Vol.
446. № 2. Pp. 179–182.
10. Belyakov V. P. Cryogenic technique and technology.
Moscow: Energoizdat. 1982. 272 p.
11. GOST 2939-63 Gases. Conditions for volume determina-
tion. Moscow: Publishing house of standards. 1988. 3 p.
12. Drift A., Boerrigter H., Coda B., Cieplik M., Hemmes K.
Entrained Flow Gasification of Biomass — Ash Behavior,
Feeding Issues and System Analyses. Energy Research
Center of the Netherlands, Petten. 58 p.
13. Basu P. Biomass Gasification. Pyrolysis and Torrefaction
(Second Edition). Practical Design and Theory. Dalhou-
see University and Greenfield Research Incorporated.
Acad. Press. 2013. 552 p.
14. Review of Technologies for Gasification of Biomass and
Wastes. Final report: NNFCC project 09/008. E4tech.
2009. 130 p.
15. Chhiti Y., Kemiha M. Thermal Conversion of Biomass.
Pyrolysis and Gasification: A Review / Younes Chhiti.
Mohammed. The International Journal of Engineering
And Science (IJES). 2013. Vol. 2, № 3. Pp. 75–85.
16. Rakhmankulov. D. L., Vildanov F. Sh., Latypova F. N.,
Chanyshev R. R., Ishbulatov R. F. Modern methods of
biomass gasification. Bashkir Chemical Journal. 2010.
Vol. 17. № 2. Pp. 36–42.
17. Review of Finnish biomass gasification technologies: OPET
Report 4. Vienna. University of Technology. 2002. Pp. 1–19.
18. Mason J. Downdraft gasification system and method:
USA Patent Application (Application #20150232768). All
power labs. Inc. Aug 20. 2015.
19. Zhovtyansky V., Dudnyk. O., Ostapchuk. M., Sokolovska. I.
CONVERSION OF CARBON-CONTAINING RAW MATERIAL
USING PLASMA TECHNOLOGIES. Energy Technologies &
Resource Saving. 2023. Vol. 4. Pp. 90−112.
20. Rokhman. B. B. Kobzar S. G. DESIGN FEATURES OF THE
EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BI-
OMASS THERMOCHEMICAL PROCESSING. PART. 1. RE-
ACTOR DESCRIPTION AND WORKFLOW MODELING. Vid-
novluvana energetika. 2024. № 2. Pp. 123−136.
21. Rokhman B. B., Kobzar S. G. DESIGN FEATURES OF THE
EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BI-
OMASS THERMOCHEMICAL PROCESSING. PART 2.
ANALYSIS OF THE PYROLYSIS PROCESS IN A FIXED BED
APPARATUS // Vidnovluvana energetika. 2024. № 3. Pp.
153−165.
22. Natale G., Galgano A., Di Blasi C. Modeling particle pop-
ulation balances in fluidized-bed wood gasifiers. Bio-
mass and bioenergy. 2014. Vol. 62. Pp. 123−137.
23. M. Blank, C. Benesch, G. Knauss, P. Petermeier, T. Brun-
ner, I. Obernberger TAR AND SOOT MODELLING OF
PRODUCER GAS FROM BIOMASS PYROLYSIS AND UP-
DRAFT GASIFIERS. 31st European Biomass Conference
and Exhibition. June 2023. Bologna, Italy. Pp. 581−587.
24. Thunman H., Niklasson F., Johnsson F. and Leckner Bo.
Composition of Volatile Gases and Thermochemical
Properties of Wood for Modeling of Fixed or Fluidized
Beds. Energy & Fuels. 2001. № 15. Pp. 1488−1497.
25. Gordon L. V. et al. Technology and equipment of wood-
chemical productions. Moscow: Lesnaya Promyshlen-
naya Industriya. 1979. 288 p.
26. Zanzi R., Sjöström K., and Björnbom E. Rapid high-tem-
perature pyrolysis of biomass in a free-fall reactor.
1996. Fuel. Vol. 75. № 5. Pp. 545−550.
27. Rokhman B., Kobzar S. APPLICATIO STUDY ON KINETICS
OF BIOMASS PYROLYSIS IN THE FIXED BED. 1. SIMULA-
TION AND NUMERICAL ANALYSIS OF LIGNIN THERMAL
DECOMPOSITION. Energy Technologies & Resource Sav-
ing. 2024. Vol. 1. Pp. 84−94.
https://etars-journal.org/index.php/index
|
| id | veorgua-article-495 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:14:40Z |
| publishDate | 2024 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/d3/01b186b3623f333d4d1b2fd6d1f329d3.pdf |
| spelling | veorgua-article-4952026-07-18T06:32:21Z DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THER-MOCHEMICAL PROCESSING. PART 3 THE INFLUENCE OF HEAT CAPACITY AND THERMAL DECAY EFFECT ON THE HEATING RATE OF WOOD BIRCH PARTICLE BED КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ. ЧАСТИНА 3 ВПЛИВ ТЕПЛОЄМНОСТІ Й ТЕПЛОВОГО ЕФЕКТУ ТЕРМОРОЗПАДУ НА ШВИДКІСТЬ ПРОГРІВАННЯ ШАРУ ЧАСТИНОК WOOD BIRCH Rokhman , B. B. Kobzar , S. G. fixed bed, biomass, Wood Birch, thermal conductivity, pyrolysis, gas, temperature, thermal energy, recycling, electric heater. нерухомий шар, біомаса, Wood Birch, теплопровідність, піроліз, газ, температура, теплова енер-гія, рециркуляція, електронагрівач. The third part of this work is devoted to the theoretical study of the influence of biomass heat capacity, boundary conditions, recirculation of pyrolysis gases, external and internal heat flows on the heating time of a fixed pyrolysis bed consisting of Wood Birch particles of 10 mm equivalent diameter. Three options for heating the bed were considered: a) electric heating of the outer and inner surfaces of the pyrolyzer; b) electric heating of the outer surface and heating the inner surface of the pyrolyzer by combustion products; c) two electric heaters and recirculating pyrolysis gas with a temperature of 800 °С. It is shown that: 1) taking into account the thermal decomposition thermal effect in the equation of thermal energy of particles leads to a decrease in the biomass bed heating time by 1.33 times and an increase in the bed heating rate to 987 °С/min; 2) recirculation of high-temperature pyrolysis gases entering the pyrolyzer limited by the outer D&nbsp;=&nbsp;220 mm and inner d&nbsp;=&nbsp;150 mm diameters, reduces the bed heating time by 1.39 times, resulting in increasing the particle heating rate from 987 to 1373 °С/min; 3) pyrolysis gases recirculation contributes to the rapid pyrolysis organization when the pyrolyzer outer diameter increases from 220 to 240 mm and from 220 to 300 mm, resulting in a decrease in the bed heating rate from 1373 to 1295.3 °С/min and from 1373 to 1223 °С/min, respectively; 4) the calculated composition of the mixed pyrolysis gas at tg&nbsp;=&nbsp;800 °С: CO2&nbsp;=&nbsp;7.14&nbsp;%, CO&nbsp;=&nbsp;51.4&nbsp;%, H2&nbsp;=&nbsp;15.56&nbsp;%, C1.16H4&nbsp;=&nbsp;23.72&nbsp;% (CH4&nbsp;=&nbsp;16.6&nbsp;% and C2H4&nbsp;=&nbsp;7.116&nbsp;%), N2&nbsp;=&nbsp;0.296&nbsp;%), is in good agreement with the results of the Wood Birch pyrolysis experiment at tg&nbsp;=&nbsp;800 °С: CO2&nbsp;=&nbsp;8.3&nbsp;%, CO&nbsp;=&nbsp;50.70&nbsp;%, H2&nbsp;=&nbsp;16.8&nbsp;%, CH4&nbsp;=&nbsp;16.2&nbsp;% and C2H4&nbsp;=&nbsp;7.9&nbsp;%.&nbsp;&nbsp;&nbsp; Третя частина цієї роботи присвячена теоретичному дослідженню впливу теплоємності біомаси, граничних умов, рециркуляції піролізних газів, зовнішніх і внутрішніх теплових потоків на час прогріву нерухомого шару піролізера, що складається з частинок Wood Birch еквівалентного діаметра 10&nbsp;мм. Розглядалися три варіанти прогріву шару за рахунок: а) електрообігріву зовнішньої та внутрішньої поверхонь піролізера; б)&nbsp;електрообігріву зовнішньої поверхні та обігріву внутрішньої поверхні піролізера продуктами згоряння; в) двох електрообігрівачів та рециркуляційного піролізного газу з температурою 800&nbsp;°С. Показано, що: 1) урахування теплового ефекту процесу терморозпаду в рівнянні теплової енергії частинок приводить до зменшення часу прогріву шару біомаси в 1,33 раза та підвищення швидкості прогріву шару до 987&nbsp;°С/хв; 2)&nbsp;рециркуляція високотемпературних піролізних газів, що надходять до піролізера, який обмежений зовнішнім, D&nbsp;=&nbsp;220&nbsp;мм, і внутрішнім, d&nbsp;=&nbsp;150&nbsp;мм, діаметрами, зменшує час прогріву шару в 1,39 раза, внаслідок чого швидкість прогріву частинок шару зростає від 987 до 1373&nbsp;°С/хв; 3) рециркуляція піролізних газів сприяє організації швидкого піролізу в разі підвищення зовнішньо го діаметра піролізера від 220 до 240&nbsp;мм та від 220 до 300&nbsp;мм, внаслідок чого відбувається зменшення швидкостей прогріву шару від 1373 до 1295,3&nbsp;°С/хв та від 1373 до 1223&nbsp;°С/хв відповідно; 4) результати розрахунку складу змішаного піролізного газу за tg&nbsp;=&nbsp;800&nbsp;°С: CO2&nbsp;=&nbsp;7,14&nbsp;%, CO&nbsp;=&nbsp;51,4&nbsp;%, H2&nbsp;=&nbsp;15,56&nbsp;%, C1,16H4&nbsp;=&nbsp;23,72&nbsp;% (CH4&nbsp;=&nbsp;16,6&nbsp;% та C2H4&nbsp;=&nbsp;7,116&nbsp;%), N2&nbsp;=&nbsp;0,296&nbsp;% добре збігаються з результатами експерименту піролізу Wood Birch за tg&nbsp;=&nbsp;800&nbsp;°С: CO2&nbsp;=&nbsp;8,3&nbsp;%, CO&nbsp;=&nbsp;50,70&nbsp;%, H2&nbsp;=&nbsp;16,8&nbsp;%, CH4&nbsp;=&nbsp;16,2&nbsp;% і C2H4&nbsp;=&nbsp;7,9&nbsp;&nbsp;%. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2024-12-10 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/495 10.36296/1819-8058.2024.4(79).119-134 Vidnovluvana energetika ; No. 4(79) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 119-134 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 4(79) (2024): Scientific and applied Journal renewable energy ; 119-134 Відновлювана енергетика; № 4(79) (2024): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 119-134 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2024.4(79) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/495/403 Copyright (c) 2024 B. B. Rokhman , S. G. Kobzar https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | fixed bed biomass Wood Birch thermal conductivity pyrolysis gas temperature thermal energy recycling electric heater. Rokhman , B. B. Kobzar , S. G. DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THER-MOCHEMICAL PROCESSING. PART 3 THE INFLUENCE OF HEAT CAPACITY AND THERMAL DECAY EFFECT ON THE HEATING RATE OF WOOD BIRCH PARTICLE BED |
| title | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THER-MOCHEMICAL PROCESSING. PART 3 THE INFLUENCE OF HEAT CAPACITY AND THERMAL DECAY EFFECT ON THE HEATING RATE OF WOOD BIRCH PARTICLE BED |
| title_alt | КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ. ЧАСТИНА 3 ВПЛИВ ТЕПЛОЄМНОСТІ Й ТЕПЛОВОГО ЕФЕКТУ ТЕРМОРОЗПАДУ НА ШВИДКІСТЬ ПРОГРІВАННЯ ШАРУ ЧАСТИНОК WOOD BIRCH |
| title_full | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THER-MOCHEMICAL PROCESSING. PART 3 THE INFLUENCE OF HEAT CAPACITY AND THERMAL DECAY EFFECT ON THE HEATING RATE OF WOOD BIRCH PARTICLE BED |
| title_fullStr | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THER-MOCHEMICAL PROCESSING. PART 3 THE INFLUENCE OF HEAT CAPACITY AND THERMAL DECAY EFFECT ON THE HEATING RATE OF WOOD BIRCH PARTICLE BED |
| title_full_unstemmed | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THER-MOCHEMICAL PROCESSING. PART 3 THE INFLUENCE OF HEAT CAPACITY AND THERMAL DECAY EFFECT ON THE HEATING RATE OF WOOD BIRCH PARTICLE BED |
| title_short | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THER-MOCHEMICAL PROCESSING. PART 3 THE INFLUENCE OF HEAT CAPACITY AND THERMAL DECAY EFFECT ON THE HEATING RATE OF WOOD BIRCH PARTICLE BED |
| title_sort | design features of the experimental unit and numerical studies of biomass ther-mochemical processing. part 3 the influence of heat capacity and thermal decay effect on the heating rate of wood birch particle bed |
| topic | fixed bed biomass Wood Birch thermal conductivity pyrolysis gas temperature thermal energy recycling electric heater. |
| topic_facet | fixed bed biomass Wood Birch thermal conductivity pyrolysis gas temperature thermal energy recycling electric heater. нерухомий шар біомаса Wood Birch теплопровідність піроліз газ температура теплова енер-гія рециркуляція електронагрівач. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/495 |
| work_keys_str_mv | AT rokhmanbb designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbiomassthermochemicalprocessingpart3theinfluenceofheatcapacityandthermaldecayeffectontheheatingrateofwoodbirchparticlebed AT kobzarsg designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbiomassthermochemicalprocessingpart3theinfluenceofheatcapacityandthermaldecayeffectontheheatingrateofwoodbirchparticlebed AT rokhmanbb konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina3vplivteploêmnostíjteplovogoefektutermorozpadunašvidkístʹprogrívannâšaručastinokwoodbirch AT kobzarsg konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina3vplivteploêmnostíjteplovogoefektutermorozpadunašvidkístʹprogrívannâšaručastinokwoodbirch |