DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMO-CHEMICAL PROCESSING PART 4 CALCULATIONS RESULTS OF ELECTRIC HEATERS AND COKE ASH RESIDUE GASIFICATION
The fourth part of this work is devoted to the development of designs of electric heaters for the pyrolyzer external and in-ternal heating surfaces, providing stable operation at the maximum load of 320000-330000 W/m2 at the temperature of enclosing surfaces 950 С. The results of calculations show...
Збережено в:
| Дата: | 2025 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2025
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/517 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Vidnovluvana energetika |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103892430782464 |
|---|---|
| author | Rokhman, B. Kobzar, S. Chetveryk , H. Senchyk , M. |
| author_facet | Rokhman, B. Kobzar, S. Chetveryk , H. Senchyk , M. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": " 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. Kobzar",
"institution": "Institute of Thermal Energy Technologies of the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine; Institute of Technical Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "H. Chetveryk ",
"institution": "Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine"
},
{
"author": "M. Senchyk ",
"institution": "Kyiv National University of Construction and Arhitecture"
}
] |
| author_sort | Rokhman, B. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:21Z |
| description | The fourth part of this work is devoted to the development of designs of electric heaters for the pyrolyzer external and in-ternal heating surfaces, providing stable operation at the maximum load of 320000-330000 W/m2 at the temperature of enclosing surfaces 950 С. The results of calculations show that for stable operation in the specified range of loads the electric heater structures should consist of two parallel spirals made of nichrome and tungsten wires. The main characteris-tics of nichrome spirals: for the inner surface (tube diameter 190 mm) − wire diameter − 3,5 mm, current strength − 116,5 A, wire length − 27,74 m; for the outer surface (diameter 260 mm) − wire diameter − 4 mm, current strength − 154,5 A, wire length − 27,4 m. Spirals made of tungsten: for the inner surface − diameter − 0,6 mm, current strength − 116,5 A, length − 22 m; for the outer surface − diameter − 1,2 mm, current strength − 154,5 A, length − 39,3 m. The use of pyrolysis gas recirculation as a third heat source reduced the heating time of the Wood Birch particle bed from 48 to 34,5 s, which resulted in an increase in the bed heating rate from 975 to 1355 С/min. Using the model described in the first part of the work, numerical studies of the process of gasification of coke-sol residues of Birch and Bagasse particles were carried out. At the outlet of the gas generator untreated low-calorie syn-thetic gases of the following compositions were obtained: from Wood Birch CO2 = 4,48 %, CO = 30,41 %, H2 = 16,9 %, H2О = 4,93 % and N2 = 43,3 % with calorific value of 5668 kJ/nm3; from Bagasse − CO2 = 3,370 %, CO = 32,9 %, H2 = 17,64 %, H2О = 3,73 % and N2 = 42,36 % with calorific value of 6062 kJ/nm3. These gases are tar-free and can be used in combustion chambers of reciprocating engines installed at mini-CHPs. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2025.1(80).133-147 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:39:54Z |
| format | Article |
| fulltext |
133
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
УДК 532.529: 532.517.4 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2025.1(80)133-147
КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ
ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ
ЧАСТИНА 4
РЕЗУЛЬТАТИ РОЗРАХУНКІВ ЕЛЕКТРОНАГРІВАЧІВ І ПРОЦЕСУ ГАЗИФІКАЦІЇ КОКСОЗОЛЬНОГО
ЗАЛИШКУ
Отримано 12 лип. 2024 р.; рекомендовано до публікації 14 бер. 2025 р.
Доступно онлайн 01 бер. 2025 р.
Рохман Б. Б.1, Кобзар С. Г.2,
Четверик Г. О.3, Сенчук М. П.4
Автор для кореспонденції: Рохман Болеслав,
e-mail: brolene@yahoo.com
Частина 4 цієї роботи присвячена розробці конструкцій
електронагрівачів для зовнішньої та внутрішньої повер-
хонь нагріву піролізера, які б забезпечували стійку роботу
на максимальному навантаженні 320 000−330 000 Вт/м2
за температури огороджувальних поверхонь 950 С. Ре-
зультати розрахунків показують, що для стійкої роботи
в зазначеному інтервалі навантажень конструкції елек-
тронагрівачів мають складатися з двох паралельно ввім-
кнутих спіралей, виготовлених з ніхромового і вольфра-
мового дротів. Основні характеристики спіралей,
виготовлених з ніхрому, такі: для внутрішньої поверхні
(діаметр труби 190 мм) діаметр дроту становить 3,5 мм, сила струму − 116,5 А, довжина дроту −
27,74 м; для зовнішньої поверхні (діаметр 260 мм) − діаметр дроту −4 мм, сила струму − 154,5 А, дов-
жина дроту − 27,4 м. Спіралі, виготовлені з вольфраму, мають такі характеристики: для внутрішньої
поверхні діаметр становить 0,6 мм, сила струму − 116,5 А, довжина – 22 м; для зовнішньої поверхні ді-
аметр становить 1,2 мм, сила струму – 154,5 А, довжина − 39,3 м. Використання рециркуляції піроліз-
них газів як третього джерела тепла дало змогу зменшити час прогріву шару частинок Wood Birch від
48 до 34,5 с, внаслідок чого швидкість прогріву шару зросла від 975 до 1355 С/хв. З використанням мо-
делі, описаної в першій частині роботи, проведено числові дослідження процесу газифікації коксозольних
залишків частинок берези та багаси. На виході з газогенератора отримано неочищені низькокалорійні
синтетичні гази, що мають такий склад: з Wood Birch − CO2 = 4,48 %, CO = 30,41 %, H2 = 16,9 %, H2О =
4,93 % та N2 = 43,3 % з теплотворною здатністю 5668 кДж/нм3; з Bagasse − CO2 = 3,370 %, CO = 32,9 %,
H2 = 17,64 %, H2О = 3,73 % та N2 = 42,36 % з теплотворною здатністю 6062 кДж/нм3. Ці гази не мають
смол і можуть бути використані в камерах згоряння поршневих двигунів, встановлених на міні-ТЕЦ.
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 4
CALCULATIONS RESULTS OF ELECTRIC HEATERS AND COKE ASH RESIDUE GASIFICATION
Received Jul. 12, 2024; accepted Mar. 14, 2025
Available online Apr. 01, 2025
Rokhman B.1, Kobzar S.2,
Chetveryk H.3, Senchyk M.4
Author for correspondence: Rokhman Boleslav,
e-mail: brolene@yahoo.com
1 д-р техн. наук
https://orcid.org/0000-0002-1270-6102
2 канд. техн. наук
https://orcid.org/0000-0002-8615-4400
3 канд. техн. наук
https://orcid.org/0000-0001-9398-1968
4 канд. техн. наук, доцент
https://orcid.org/0000-0001-8968-7336
1, 2 Інститут теплоенергетичних технологій
НАН України, м. Київ, Україна;
1, 3 Інститут відновлюваної енергетики НАН
України, м. Київ, Україна
2 Інститут технічної теплофізики НАН України,
м. Київ, Україна
4 Київський національний університет
будівництва і архітектури, 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
3 Сand. of Tech. Science
https://orcid.org/ 0000-0002-8615-4400
4 Сand. of Tech. Science, Assoc. Prof.
https://orcid.org/ 0000-0002-8615-4400
1, 2 Institute of Thermal Energy Technologies of
the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine;
134
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
The fourth part of this work is devoted to the development of
designs of electric heaters for the pyrolyzer external and in-
ternal heating surfaces, providing stable operation at the
maximum load of 320000-330000 W/m2 at the temperature
of enclosing surfaces 950 С. The results of calculations show
that for stable operation in the specified range of loads the
electric heater structures should consist of two parallel spirals
made of nichrome and tungsten wires. The main characteris-
tics of nichrome spirals: for the inner surface (tube diameter
190 mm) − wire diameter − 3,5 mm, current strength − 116,5
A, wire length − 27,74 m; for the outer surface (diameter 260
mm) − wire diameter − 4 mm, current strength − 154,5 A,
wire length − 27,4 m. Spirals made of tungsten: for the inner
surface − diameter − 0,6 mm, current strength − 116,5 A,
length − 22 m; for the outer surface − diameter − 1,2 mm, current strength − 154,5 A, length − 39,3 m. The use
of pyrolysis gas recirculation as a third heat source reduced the heating time of the Wood Birch particle bed
from 48 to 34,5 s, which resulted in an increase in the bed heating rate from 975 to 1355 С/min. Using the
model described in the first part of the work, numerical studies of the process of gasification of coke-sol residues
of Birch and Bagasse particles were carried out. At the outlet of the gas generator untreated low-calorie syn-
thetic gases of the following compositions were obtained: from Wood Birch CO2 = 4,48 %, CO = 30,41 %, H2 =
16,9 %, H2О = 4,93 % and N2 = 43,3 % with calorific value of 5668 kJ/nm3; from Bagasse − CO2 = 3,370 %, CO =
32,9 %, H2 = 17,64 %, H2О = 3,73 % and N2 = 42,36 % with calorific value of 6062 kJ/nm3. These gases are tar-
free and can be used in combustion chambers of reciprocating engines installed at mini-CHPs.
Keywords: fixed bed, biomass, Wood Birch, thermal conductivity, pyrolysis, gas, temperature, thermal energy,
recycling, electric heater.
Вступ. Тип технології та робочі параметри газифікатора
слід вибирати з урахуванням якості синтез-газу, оскі-
льки саме вона визначатиме його кінцеве викорис-
тання. Якість синтез-газу визначається поєднанням вла-
стивостей сировини, типу технології та умов
експлуатації процесу, а також масштабом виробництва.
Для невеликих проєктів потужністю до 10 МВт/год, тех-
нології з нерухомим шаром є постійним вибором, тоді
як реактори з псевдозрідженим шаром можуть мати
встановлену потужність понад 100 МВт/год і, отже, при-
датніші для середньо- та великомасштабних проєктів.
Технологія газифікації в псевдозрідженому шарі підтри-
мує гнучкість сировини, має потенціал масштабування і
відносно низьку вартість, що робить її підходящим рі-
шенням і частим вибором для газифікації гетерогенних
відходів у середньо- і великомасштабних проєктах. Ко-
мерціалізація технології газифікації відходів вже є реа-
льністю. Однак необхідно докласти більше зусиль, щоб
пілотні та демонстраційні проєкти змогли подолати тех-
нологічні та економічні проблеми й перейти до комер-
ціалізації. Сучасні комерційно доступні технології гази-
фікації класифікуються за різними параметрами,
включно зі способом підведення тепла, використовува-
ним газифікуючим агентом і типом реактора [1]. За кон-
струкцією газифікатори зазвичай поділяють на три осно-
вні категорії: з нерухомим шаром (прямоточні,
протиточні й перехресні), з киплячим шаром (барбота-
жні й циркуляційні) та з уловленим киплячим шаром [2,
3−5], і, крім того, існують реактори з обертовою піччю та
плазмові реактори. Всі ці реактори мають переваги та
недоліки, і вибір залежить від масштабу виробництва,
характеристик сировини та бажаного застосування ви-
робленого газу [6]. Газифікатори з нерухомим шаром є
найпростішою технологією газифікації. У таких газифіка-
торах можна використовувати різні газифікуючі агенти,
а газифікація відбувається протягом тривалого часу,
приблизно 900−1800 с за високого тиску [7]. Системи з
нерухомим шаром мають циліндричну форму, де сиро-
вина вводиться у верхню частину реактора, а газифікую-
чий агент додається в нижній частині. Реактор працює
при високому тиску, від 1 до 100 бар, і температурі при-
близно 500−1200 С, що приводить до високого ступеня
перетворення вуглецю [5]. Реактори газифікації з неру-
хомим шаром можуть мати висхідну й низхідну конфігу-
рації. Ці різні конфігурації пов’язані з подачею сировини
та газифікуючого агента. В газифікаторі з висхідною тя-
гою сировина вводиться в його верхню частину, тоді як
газифікуючий агент вводиться в бічну або нижню час-
тину реактора. Виробництво синтез-газу відбувається
вздовж реактора, і вихід цього газу відбувається на вер-
хньому рівні реактора, тоді як зола осідає в нижній час-
тині реактора. В реакторі з низхідним потоком сировина
надходить у верхню частину реактора, а газифікуючий
агент − у бічну або верхню частину газифікатора; отже,
вихід синтез-газу відбувається в нижній частині реак-
тора. Дослідження показали, що реактори з нерухомим
шаром можуть працювати на різних типах відходів з ви-
соким ступенем перетворення вуглецю й низьким рів-
нем викидів золи. Однак цей тип газифікаторів зазвичай
не використовується у великих масштабах через низь-
кий вміст вологи в сировині, що є одним з обмежень для
використання [3, 5].
3 Сand. of Tech. Science
https://orcid.org/ 0000-0002-8615-4400
4 Сand. of Tech. Science, Assoc. Prof.
https://orcid.org/ 0000-0002-8615-4400
1, 2 Institute of Thermal Energy Technologies of
the NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine;
1, 3 Institute of Renewable Energy NAS of
Ukraine, Kyiv, Ukraine
2 Institute of Technical Thermophysics of the
National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv,
Ukraine
4 Kyiv National University of Construction and
Arhitecture
135
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
Газифікатори псевдозрідженого шару мають дві основні
конфігурації: барботажний псевдозріджений шар (БКШ) і
циркулюючий псевдозріджений шар [8]. Газифікатори з
БКШ призначені для роботи в умовах низьких швидкос-
тей газу, від 1 до 3 м/с, за температури від 800 до 1000 ◦C.
На виході з БКШ газодисперсна суміш потрапляє в надша-
ровий простір, після чого надходить у циклон, де части-
нки відділяються від газу. Таким чином, сирий газ надхо-
дить на наступну стадію, тоді як частинки падають на дно
реактора [9]. Газифікатори з БКШ можуть працювати з
широким спектром твердого палива, включно з матеріа-
лами з біомаси, як-от відходи сільського та лісового гос-
подарства, відходи тваринництва і т п. [10, 11]. Ці реак-
тори мають переваги завдяки відносно низькій вартості,
простоті будівництва та експлуатації, потенціалу для роз-
ширення, а також високій ефективності. Отже, БКШ є час-
тим вибором для газифікації відходів [10, 12, 13].
У газифікаторі з циркулюючим киплячим шаром газифі-
кація проводиться в два етапи. На першому етапі в зоні
киплячого шару відбувається вихід летких речовин та ге-
терогенні реакції відновлювання з коксозольними части-
нками відходів, внаслідок чого утворюється синтез-газ.
На другому етапі газодисперсний потік потрапляє в над-
шаровий простір, де рухається у режимі пневмотранспо-
рту зі швидкістю 5−10 м/с, реагуючи при цьому з газовою
фазою завдяки реакціям – C + O2 = CO2, C + 0,5O2 = CO, C +
СO2 = 2CO та C + H2O = CO + H2. Далі газодисперсний потік
потрапляє в циклон, де коксозольні частинки відділя-
ються від синтез-газу й повертаються до зони киплячого
шару. Газифікатори киплячого шару широко застосову-
ються для переробки твердих відходів у великих масшта-
бах завдяки своїй високій продуктивності [5]. Реактори з
уловленим потоком використовуються для газифікації ву-
гілля в промислових масштабах через їх більшу доступ-
ність, вищу продуктивність і кращу якість газу [14]. Це ро-
згорнута і зріла технологія для обробки традиційної
сировини, як-от вугілля й біомаса [15]. Ці реактори пра-
цюють за високих температур (1200−1500 С) і високого
тиску (20−80 бар). Основними перевагами цих газифіка-
торів є висока конверсія вуглецю та малі теплові втрати
завдяки їх компактній конструкції. Реактор з обертовою
піччю містить сталеву камеру циліндричної форми, яка
рухається повільно і має робочу температуру приблизно
300−600 С. Реактор працює з нахилом вниз відносно ви-
хідного кінця. Отже, сировина проходить через весь реа-
ктор. Сировина вводиться у верхню частину реактора,
тоді як газифікуючий агент впорскується в нижню частину
печі [5]. Плазмова газифікація використовує електрично
іонізований газ за температури приблизно 10 000 С,
який проходить через плазмові пальники з тиском від 1
до 3 бар, що дозволяє перетворювати сировину на син-
тез-газ [16]. Плазмовий реактор потребує значної кілько-
сті електроенергії, приблизно від 1200 до 2500 МДж на
тонну сировини, що є суттєвим недоліком з погляду тех-
нологічної комерціалізації [17]. Термохімічне перетво-
рення біомаси та відходів на синтез-газ шляхом
газифікації може здійснюватися з використанням різних
реакторів за різних умов. Кожна технологія має свої пере-
ваги та обмеження, і вибір конкретної технології зале-
жить від декількох факторів, як-от продуктивність, харак-
теристики сировини та застосування синтез-газу.
Результати наукових досліджень і промислових застосу-
вань вказують на те, що технологія газифікації в кипля-
чому шарі є найприйнятнішим рішенням для гетероген-
ної сировини для середньо- і великомасштабних
проєктів. Для менших проєктів перевага надається техно-
логіям з нерухомим шаром.
У першій частині цієї роботи [18] 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, наведеної в роботі [19], проведено широкі числові
дослідження процесу термолізу Bagasse і Wood Birch. Ро-
зглядалися 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. У [20]
вивчався вплив теплоємності частинок Wood Birch і внут-
рішнього джерела теплової енергії (тепловий ефект про-
цесу терморозпаду в інтервалі температур 270 ≤ tp ≤
450 С) на швидкість прогріву фіксованого шару біомаси.
Частина 4 цієї роботи присвячена дослідженню впливу
конструктивних і теплових параметрів електронагріва-
чів внутрішньої й зовнішньої поверхні піролізера на про-
цес швидкого піролізу та аналізу процесу газифікації ко-
ксозольного залишку.
Вплив конструктивних і теплових характеристик елект-
ронагрівачів на робочий процес у піролізері
У табл. 1 наведено конструктивні, електричні й теплові
характеристики електронагрівачів зовнішньої 4 і внутрі-
шньої 5 поверхонь піролізера (рис. 1, a з [18]). Розгля-
немо спочатку характеристики електронагрівача внутрі-
шньої поверхні піролізера (варіанти i та ii). У варіанті i
розрахункова кількість витків ніхромової спіралі дорів-
нює 80 шт., тоді як максимально можлива кількість вит-
ків на трубі d = 150 мм і Hbed = 450 мм становить 57 шт.,
якщо крок між витками 8 мм. Можливі два методи усу-
нення цього недоліку. Перший з них полягає в тому, щоб
замість однієї ніхромової спіралі (варіант i), що забезпе-
чує максимальний тепловий потік qr = ,075- = 330 000
Вт/м2, установити дві паралельно ввімкнені спіралі з рі-
вними теплосприйняттями Qт.в. = 34 713 Вт: ніхромову
(електричний опір − 4,170 Ом, діаметр дроту − 3 мм,
сила струму − 91,2 А, довжина спіралі – 26,1 м, крок між
витками – 6 мм, кількість витків – 58 шт., висота спіралі –
342 мм) і вольфрамову (електричний опір – 4,170 Ом,
діаметр дроту − 0,5 мм, сила струму − 91,2 А, довжина
136
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
спіралі − 17,3 м, крок між витками – 3 мм, кількість вит-
ків – 37 шт., висота спіралі – 108 мм). На зовнішній пове-
рхні огороджувального циліндра діаметром 220 мм та-
кож установлюють дві паралельно ввімкнені спіралі з
рівними теплосприйняттями Qт.в. = 58 720 Вт: ніхромову
(електричний опір – 2,9 Ом, діаметр дроту − 4 мм, сила
струму – 131 А, довжина спіралі − 32,3 м, крок між вит-
ками − 7 мм, кількість витків – 46 шт., висота спіралі –
315 мм) і вольфрамову (електричний опір − 2,9 Ом, діа-
метр дроту − 0,8 мм, сила струму – 131 А, довжина спі-
ралі − 31,83 м, крок між витками – 3 мм, кількість вит-
ків – 46 шт., висота спіралі – 135 мм). Результати
розрахунків параметрів робочого процесу піролізера (D
= 220 мм, d = 150 мм і Hbed = 450 мм) наведено в [20].
Другий метод базується на підвищенні діаметра внутрі-
шньої труби піролізера від 150 до 190 мм (варіант ii).
При цьому зовнішній діаметр огороджувального цилін-
дра підвищиться від 220 до 260 мм, зберігши при цьому
міжтрубний зазор 35 мм. У цьому разі розрахункова кі-
лькість витків, що дорівнює 50 шт., виявляється меншою
за допустиме значення − 57 шт., проте сила струму,
233 А, у варіанті ii перевищує допустиме значення –
206 А на 13 %. У разі зниження теплового потоку на вну-
трішній поверхні піролізера від 330 000 до 299 463 Вт/м2
шляхом підвищення кількості витків спіралі від 50 до
55 шт. сила струму зменшується від 233 до 211,2 А, опір
ніхромового дроту та його довжина зростають від 1,633
до 1,799 Ом і від 28,3 до 31,2 м. Для досягнення сталої
роботи електронагрівача необхідно знизити максима-
льний тепловий потік до 299 463 Вт/м2 і температуру сті-
нки внутрішньої труби від 950 до 905 С, що безсумнівно
приведе до зменшення швидкості прогріву фіксованого
шару частинок Wood Birch і може вплинути на склад пі-
ролізних газів. Для оцінки кількісних змін зазначених па-
раметрів робочого процесу було проведено числові до-
слідження за таких початкових і граничних умов: Hbed =
450 мм, δ0 = 10 мм, ε = 0,477, ρp0 = 617,5 кг/м3 (на суху
масу Wood Birch), tp0 = 100 С, DI = 260 мм, dI = 190 мм,
tpI(τ, r = 0,095 м) = 905 С і tpI(τ, r = 0,13 м) = 950 С. Ре-
зультати розрахунків наведено на рис. 1−3. Зниження
теплового потоку від 30 000 до 299 463 Вт/м2 (порівняти
рис. 1, b і криву 2 на рис. 3, c з [20]) призводить до зме-
ншення не тільки температури стінки внутрішньої труби
7 (рис. 1, a з [18]) від з 950 до 905 С, але й мінімальної
температури частинок від tp,min (τ = 48 с, r = 0,0924 м) =
629 С (крива 6 на рис. 1, c з [20]) до tp,minI (τ = 4 с, r =
0,1108 м) = 576 С (крива 5 на рис. 2, a). Мінімальна те-
мпература частинок, 576 С, виявляється нижчою за до-
пустиму температуру tp,доп > 600 С, за якої практично
вся смола перетворюється на легкий піролізний газ. Ця
умова виконується в разі підвищення часу прогрівання
шару від 48 до 52 с − tp,minI (τ = 52 с, r = 0,1108 м) = 654 С
і tp,срI = 791 С (крива 6 на рис. 2, a), внаслідок чого шви-
дкість прогрівання шару до tp,minI = 654 С становить
755 С/хв, до середньої температури tp,срI = 791 С –
913 С/хв. Склад продуктів первинного піролізного газу
за високих температур tgI = 776 С і τ = 20 с (рис. 2, b−f):
CO2 = 9,05 %, CO = 37,14 %, H2 = 10,16 %, C1,16H4 = 21,39 %,
H2О = 22,05 %, N2 = 0,191 % – дещо відрізняється від
складу первинного піролізного газу: CO2 = 9,11 %, CO =
35,670 %, H2 = 13,84 %, C1,16H4 = 18,95 %, H2О = 22,22 %, N2
= 0,188 %, – отриманого за tg = 778 С і τ = 20 с (рис. 4 і 5
з [20]) і таких початкових і граничних умов: 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,
tp(τ, r = 0,075 м) = tp (τ, r = 0,11 м) = 950 С. Що стосується
складу змішаного піролізного газу, отриманого за tg =
800 С і τ = 20 с (рис. 3): CO2 = 5,11 %, CO = 36,8 %, H2 =
11,14 %, C1,16H4 = 16,98 %, H2О = 28,4 % і C6H6,2O0,2 =
1,58 %, – то цей склад мало чим відрізняється від складу
газу, наведеного на рис. 6 [20].
Таблиця 1. Результати розрахунків електричних нагрівачів, призначених для обігріву огороджувального і внут-
рішнього циліндрів піролізера
Table 1. Сalculations results of electric heaters intended for heating the enclosing and inner cylinders of the pyrolyzer
Найменування
величин
Одиниці
виміру
Номер варіанта
внутрішня поверхня зовнішня поверхня
I II III IV
Діаметр внутрішньої труби піролізера м 0,15 0,19 − −
Діаметр зовнішньої труби піролізера м − − 0,26 0,26
Поверхня труби, покрита ніхромовим дротом м2 0,21 0,268 0,367
(на дві
спіралі)
0,215
Поверхня труби, покрита вольфрамовим дротом м2 − − − 0,152
Висота ніхромової спіралі мм 450 450 450
(на дві
спіралі)
264
Висота вольфрамової спіралі мм − − − 186
Максимальний тепловий потік на поверхні піролі-
зера
Вт/м2 330 000 330 000 320 000
320 000
137
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
Найменування
величин
Одиниці
виміру
Номер варіанта
внутрішня поверхня зовнішня поверхня
I II III IV
Теплосприйняття поверхні піролізера, вкритої ні-
хромовим дротом
Вт 69 426 88 440 117 440
(на дві
спіралі)
58 720
Теплосприйняття поверхні піролізера, вкритої во-
льфрамовим дротом
Вт − − − 58720
Сила струму А 183 232,7 154,5
(на одну
спіраль)
154,5
(на одну
спіраль)
Питомий електричний опір ніхромового дроту Ом∙мм2/
м
1,13 1,13 1,13 1,13
Питомий електричний опір вольфрамового дроту Ом∙мм2/
м
− − − 0,054
Електричний опір ніхромового дроту Ом 2,08 1,633 2,46 2,46
Електричний опір вольфрамового дроту Ом − − − 2,46
Діаметр ніхромового дроту мм 5 5 4 4
Діаметр вольфрамового дроту мм − − − 1,18
Довжина ніхромової спіралі нагрівача, розташова-
ного на поверхні піролізера
м 36,1 28,3 27,4
(на одну
спіраль)
27,4
Довжина вольфрамової спіралі нагрівача, розташо-
ваного на поверхні піролізера
м − − − 39,3
Довжина витка ніхромового дроту м 0,455 0,581 0,829 0,829
Кількість витків ніхромової спіралі шт. 80 50 34
(на одну
спіраль)
34
Кількість витків вольфрамової спіралі шт. − − − 48
Крок між ніхромовими витками мм 8 8 7 7
Крок між вольфрамовими витками мм − − − 4
Допустима кількість витків на поверхні піролізера шт. 57 57 64 −
Напруга Вт 380 380 380 380
Рис. 1. Розподіл зовнішніх теплових потоків залежно від часу для варіанта I: a – тепловий потік, що падає на
поверхню зовнішньої труби, – qr=0.13+,I; b – тепловий потік, що падає на поверхню внутрішньої труби, – qr=0.095-,I.
Fig. 1. Distribution of external heat fluxes as a function of time for variant I: a – heat flux on the outer pipe surface –
qr=0.13+,I; b – heat flux on the inner pipe surface – qr=0.095-,I
138
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
Рис. 2. Розподіл температури частинок Wood Birch (a) та об’ємних часток компонентів первинного піроліз-
ного газу H2О (b), H2 (c), CO2 (d), CO (e), C1.16H4 (f) за перерізом нерухомого шару для варіанта I залежно від часу, с:
1 – 4; 2 – 20; 3 – 36; 4 – 44; 5 – 48; 6 – 52
Fig. 2. Temperature distribution of Wood Birch particles (a) and volume fractions of primary pyrolysis gas components
H2О (b), H2 (c), CO2 (d), CO (e), C1.16H4 (f) across the fixed bed cross-section for variant I as a function of time, s: 1 – 4; 2 –
20; 3 – 36; 4 – 44; 5 – 48; 6 – 52
Рис. 3. 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 варіанта I зале-
жно від часу, с: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 36; – 44; 5 – 48; 6 – 52
Fig. 3. Volume fractions distribution of the mixed pyrolysis gas (primary + secondary) components CO2 (a), CO (b), H2 (c),
H2О (d), C1.16H4 (e) and C6H6.2O0.2 (f) across the fixed bed cross-section of Wood Birch particles for variant I depending on
time, s: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 36; 4 – 44; 5 – 48; 6 – 52
139
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
Таким чином, зниження значень теплового потоку
qr=0.095-,I і температури стінки внутрішньої труби призво-
дить до малої зміни складу піролізного газу і незначного
зменшення швидкостей прогріву шару − в 1,04 раза
(швидкість прогріву визначається за tp,minI) і в 1,08 раза
(швидкість прогріву визначається за tp,срI).
Для того, щоб сформувати граничні умови на внутрішній
поверхні піролізера qr=0,095-,II = 330000 Вт/м2 і tpII (τ, r =
0,095 м) = tpII (τ, r = 0,13 м) = 950 С (варіант II), необхідно
змінити конструкцію електронагрівача внутрішньої по-
верхні піролізера (табл. 1, варіант ii). Замість однієї ні-
хромової спіралі (варіант ii) встановити дві спіралі з ні-
хромового (електричний опір − 3,26 Ом, діаметр дроту −
3,5 мм, сила струму − 116,5 А, довжина спірал – 27,74 м,
крок між витками – 6,5 мм, кількість витків – 48 шт., ви-
сота спіралі –305,5 мм) і вольфрамового (електричний
опір – 3,26 Ом, діаметр дроту – 0,6 мм, сила струму –
116,5 А, довжина спіралі – 22 м, крок між витками –
4 мм, кількість витків – 37 шт., висота спіралі – 144,5 мм)
дротів. Результати розрахунків температурних полів ча-
стинок Wood Birch у фіксованому шарі з використанням
двоспірального електронагрівача внутрішньої поверхні
піролізера за умови qr=0,095-,II = 330 000 Вт/м2 та tpII (τ, r =
0,095 м) = tpII (τ, r = 0,13 м) = 950 С (решта початкових
умов такі самі, як у варіанті I) представлено на рис. 4.
Рис. 4. Розподіл температури частинок Wood Birch за
перерізом нерухомого шару для варианта II залежно
від часу, с: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 36; 4 – 44; 5 – 48; 6 – 52
Fig. 4. Temperature distribution of Wood Birch particles along
the cross-section of the fixed layer for variant II as a function
of time, s: с: 1 – 4; 2 – 20; 3 – 36; 4 – 44; 5 – 48; 6 – 52
У цьому разі мінімальна температура частинок tp,minII (τ =
48 с, r = 0,1123 м) = 610 С (крива 5 на рис. 4) виявля-
ється вищою за допустиму температуру tp,доп, тому час
прогріву шару становить τ = 48 с, унаслідок чого швид-
кість прогріву шару до tp,minII = 610 С становить
763 С/хв, до середньої температури tp,срII = 780 С –
975 С/хв. У [19, 20] показано, що одним з ефективних
методів підвищення швидкості прогріву шару є рецир-
куляція піролізного газу з температурою 800 С (40 на
рис. 1 з [18]). Крім того, зазначений метод дає змогу ро-
зширити міжтрубний зазор від 35 до 80 мм, де розташо-
вується нерухомий шар піролізера 6 (рис. 1 з [18]), збе-
рігши при цьому високі швидкості прогріву шару, що
відповідають швидкому піролізу. З цією метою було
проведено низку розрахунків нерухомого шару части-
нок Wood Birch з використанням пакета прикладних
програм Ansys CFX, короткий опис яких наведено в [19].
Розрахунки проводилися за таких початкових і гранич-
них умов для варіантів III–X. У всіх варіантах Hbed =
450 мм, δ0 = 10 мм, ε = 0,477, tp0 = 100 С, d = 190 мм, tp
(τ, r = 0,13 м) = 950 С, мінімальна температура прогрі-
вання шару tp,min = 700 С. Щільність частинок ρp0 =
617,5 кг/м3 (на суху масу) постійна. У варіантах III−VIII −
tp (τ, r = 0,095 м) = 905 С, а у варіантах IX і X – tp (τ, r =
0,095 м) = 950 С. Варіанти III, V, VII і IX розраховували
без урахування рециркуляції високотемпературного пі-
ролізного газу (uпір.g = 0), а варіанти IV, VI, VIII і X – з ура-
хуванням рециркуляції (uпір.g = 2 м/с). Варіанти III−X різ-
нилися між собою діаметром огороджувальної труби 53
(рис. 1 з [18]): DIII = DIV = DIX = DX = 260 мм, DV = DVI =
280 мм і DVII = DVIII = 350 мм.
Таблиця 2. Результати розрахунків швидкостей прогрі-
вання шару з урахуванням і без урахування рецирку-
ляції піролізного газу для варіантів III−VIII
Table 2. Calculations results of bed heating rates with and
without pyrolysis gas recirculation for variants III−VIII
Найме-
ну-
вання
Номер варіанта
III IV V VI VII VIII
Час
прогрі-
вання
шару, с
420 298 636 376 1692 462
З табл. 2 видно, що час прогрівання частинок Wood Birch
до температури 700 оС з використанням двох електрона-
грівачів при DIII = 260 мм становить τ = 420 с (варіант III). У
разі додавання третього джерела теплової енергії (реци-
ркуляції піролізних газів із температурою 800 С) час про-
грівання шару зменшиться в 1,4 раза й становитиме 298 с
(варіант IV). Як зазначалося вище, швидкість прогрівання
шару у варіанті I до мінімальної температури tp,minI =
654 С за рахунок тепла від двох електронагрівачів з ура-
хуванням зміни щільності частинок і впливу внутрішнього
джерела теплової енергії становить 755 С/хв, а швид-
кість прогрівання шару до середньої температури tp,срI =
791 С протягом τ = 52 с – 913 С/хв. Виходячи з цього, мо-
жна прогнозувати, що час прогрівання шару у варіанті I з
урахуванням впливу рециркуляції піролізних газів стано-
витиме 37,14 с, а швидкість його прогрівання до темпера-
тури tp,срI = 791 С сягне 1278 С/хв, що відповідає атри-
буту швидкого піролізу часток Wood Birch. З підвищенням
зовнішнього діаметра піролізера від 260 до 280 мм та від
260 до 350 мм час прогрівання шару зростає в 1,26 та 1,55
140
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
раза (табл. 2), отже, швидкості прогрівання фіксованого
шару зменшаться від 1278 до 1014,3 С/хв та від 1278 до
825 С/хв, відповідно. Отримані швидкості прогрівання
шару відповідають швидкому піролізу частинок Wood
Birch. Результати розрахунків показують, що час прогрі-
вання шару у варіанті IX – 403 с в 1,39 раза більше, ніж час
прогрівання шару у варіанті X. Тому можна очікувати, що
при використанні у варіанті II рециркуляції піролізних га-
зів час прогріву шару до температури tp,minII = 610 С зме-
ншиться від 48 до 34,5 с, внаслідок чого швидкість про-
гріву шару до температури tp,minII = 610 С становитиме
1061 С/хв, до середньої температури − tp,срII = 780 С –
1355 С/хв.
Розглянемо характеристики електронагрівача зовніш-
ньої поверхні піролізера (табл. 1, варіанти iii та iv). У ва-
ріанті iii сила струму 309 А (за умови встановлення однієї
спіралі та теплосприйняття 117 440 Вт) істотно переви-
щує допустиме значення, 206 А. Для зменшення вели-
чини сили струму необхідно спорядити електронагрівач
двома однаковими паралельно ввімкненими спіралями
(у табл. 1, варіант iii наведено характеристики (сила
струму, кількість витків і довжина) для однієї спіралі). У
цьому разі сила струму 154,5 А виходить меншою за до-
пустиме значення, 206 А, проте сумарне число витків на
двох спіралях, 68 шт, перевищує допустиме значення –
64 шт., якщо крок між витками 7 мм. Для усунення цього
недоліку перша спіраль (34 витки) виготовляється з
ніхромового дроту діаметром 4 мм, висотою спіралі
264 мм (варіант iv). Друга − з вольфрамового дроту діа-
метром 1,2 мм, висотою 186 мм, якщо крок між витками
4 мм, довжиною 39,3 м і кількістю витків 48 шт. Така
конструкція електронагрівача забезпечує сталу роботу,
якщо максимальний тепловий потік на зовнішній пове-
рхні піролізера становить 320 000 Вт/м2, а температури
стінки tpI (τ, r = 0,13 м) = 950 С.
На рис. 5. наведено результати розрахунків теплосприй-
няття зовнішньої (2, 4, 6) і внутрішньої (1, 3, 5) поверхонь
нагріву за рахунок двох (два електронагрівачі) (рис. 5, a)
і трьох (два електронагрівачі та рециркуляція піроліз-
ного газу) (рис. 5, b) джерел тепла залежно від часу і зо-
внішнього діаметра піролізера. Як показують резуль-
тати розрахунків, максимальна кількість теплоти,
підведена ззовні в початковий момент часу за рахунок
електроенергії, в разі обігріву шару піролізера двома
джерелами теплової енергії − Qт.в. = 19 605 Вт виявля-
ється більшою, ніж у разі обігріву трьома джерелами те-
пла − Qт.в. = 17 755 Вт (криві 6 на рис. 5). Сумарна кіль-
кість теплоти (за рахунок електроенергії), сприйнята
зовнішньою (D = 260 мм) і внутрішньою (d = 190 мм) по-
верхнями нагріву піролізера за період прогріву шару до
мінімальної температури 700 С за умови використання
двох електронагрівачів − 2,02 кВт∙год, також виявля-
ється вищою, ніж за умови використання трьох джерел
теплової енергії − 1,4 кВт∙год (криві 1 і 2 на рис. 5).
Рис. 5. Розподіл теплосприйняття зовнішньою (2, 4, 6) і внутрішньою (1, 3, 5) поверхнями нагріву за рахунок двох
(два електронагрівачі) (a) і трьох (два електронагрівачі та рециркуляція піролізного газу) (b) джерел тепла зале-
жно від часу і зовнішнього діаметра піролізера D: 2 – 260 мм; 4 – 280 мм; 6 – 350 мм (d = 190 мм для для кривих 1, 3, 5)
Fig. 5. Heat distribution of external (2, 4, 6) and internal (1, 3, 5) heating surfaces due to two (two electric heaters) (a)
and three (two electric heaters and pyrolysis gas recirculation) (b) heat sources as a function of time and pyrolyzer exter-
nal diameter D: 2 – 260 mm; 4 – 280 mm; 6 – 350 mm (d = 190 mm for curves 1, 3, 5)
Таким чином, підключення третього джерела теплової
енергії − рециркулюючого піролізного газу з температу-
рою 800 С дає змогу скоротити кількість електричної ене-
ргії на власні потреби. Зниження кількості електроенергії
залежить від зовнішнього діаметра піролізера. При D =
260 мм зниження електроенергії становить 30,6 %.
Заслуговує на увагу ще один важливий режим роботи пі-
ролізера з фіксованим шаром частинок Wood Birch, який
141
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
відрізняється від варіантів I і II тим, що в початковий мо-
мент часу до поверхонь нагріву зовнішнього і внутріш-
нього циліндрів (варіанти XI і XII) підводяться питомі те-
плові потоки, які в 2,13−2,2 раза менші (qr=0,13+,XI = qr=0,095-
,XI = 150 000 Вт/м2; qr=0,11+,XII = qr=0,075-,XII = 150 000 Вт/м2),
ніж у варіантах I і II (qr=0,13+,I = 320 000 Вт/м2 і qr=0,095-,I =
299 463 Вт/м2; qr=0,13+,II = 320 000 Вт/м2 і qr=0,095-,II =
330 000 Вт/м2). Для аналізу цього режиму було прове-
дено числові дослідження процесу піролізу за таких по-
чаткових і граничних умов для варіантів XI і XII. В обох
варіантах: Hbed = 450 мм, δ0 = 10 мм, ε = 0,477, tp0 =
100 С, ρp0 = 617,5 кг/м3 (на суху масу), теплові потоки,
які падають на поверхні зовнішньої та внутрішньої
труби, були однаковими та дорівнювали 150 000 Вт/м2.
Варіанти XI і XII відрізнялися між собою діаметрами труб
(у XI – DXI = 260 мм і dXI = 190 мм; у XII – DXII = 220 мм і dXII
= 150 мм). У варіантах XI і XII розглядається режим піро-
лізу з використанням електронагріву зовнішньої та вну-
трішньої поверхонь піролізера.
Рис. 6. Розподіл температур частинок Wood Birch за перерізом нерухомого шару для варіантів XI (a) і XII (b) за-
лежно від часу, с: 1 – 1; 2 – 4; 3 – 8; 4 – 16; 5 – 20; 6 – 32; 7 – 40; 8 – 44; 9 – 48; 10 – 52
Fig. 6. Temperature distribution of Wood Birch particles along the cross-section of the fixed bed for variants XI (a) and XII
(b) as a function of time, s: 1 – 1; 2 – 4; 3 – 8; 4 – 16; 5 – 20; 6 – 32; 7 – 40; 8 – 44; 9 – 48; 10 – 52
Рис. 7. Розподіл питомого теплового потоку, що па-
дає на поверхню зовнішньої труби qr=0.13+,XII, залежно
від часу для варіанта XII
Fig. 7. Distribution of specific heat flux incident on the outer
tube surface qr=0.13+,XII as a function of time for variant XII
Оскільки у варіантах XI і XII у початковий момент часу τ = 1 с
до поверхонь нагріву зовнішнього і внутрішнього цилінд-
рів підводять питомі теплові потоки, які в 2,13−2,2 раза ме-
нші, ніж у варіантах I і II, то температура огороджувальних
поверхонь нагріву піролізера падає від 950 до 470 С (порі-
вняти рис. 1, c з [20], рис. 2, a, рис. 4 і криві 1 на рис. 6). В
інтервалі 1 < τ < 12 c температура стін поверхонь нагрі-
вання піролізера різко зростає від 470 до 1000 С при пос-
тійних питомих теплових потоках 150 000 Вт/м2 (рис. 7).
Після досягнення температури стінки 1000 С питомий те-
пловий потік падає на 10 % завдяки зменшенню сили
струму на 10 %, що своєю чергою призводить до змен-
шення температури стінки. Далі картина повторюється.
Спостерігається різке зростання температури стінки до
1000 С і падіння питомого теплового потоку на 10 %.
Отже, вдається утримувати температуру стінки менш ніж
1000 С у всьому часовому діапазоні, про що свідчить
рис. 6. Зіставимо швидкості й час прогрівання шару для ва-
ріантів XI, XII і I, II і III Час прогрівання шару частинок у варі-
анті I до мінімальної температури tp,minI = 654 С дорівнює
часу прогрівання шару частинок у варіанті XI до мінімаль-
ної температури tp,minXI = 663 С і становить τI = τXI = 52 с.
Оскільки мінімальні температури в обох варіантах близькі,
тому близькі між собою і швидкості прогрівання шару. У
варіанті II час прогрівання шару частинок (τII = 48 с) мен-
ший, ніж у варіанті XI (τXI = 52 с), проте швидкість прогрі-
вання шару частинок у варіанті II до tp,minII = 610 С −
763 С/хв мало чим відрізняється від варіанта XI − 765 С/хв
(tp,minXI = 663 С). Час прогрівання шару частинок у варіанті
III [20] до мінімальної температури tp,minIII = 629 С стано-
вить 48 с, а у варіанті XII – 40 с (tp,minXII = 638 С). Тому швид-
кості прогрівання шару частинок у варіанті III [20] до
tp,minIII = 629 С − 786,3 С/хв значно менші, ніж у варіанті
XII – 957 С/хв (tp,minXII = 638 С). Таким чином, зменшення
питомого теплового навантаження від 320 000−330 000 до
150 000 Вт/м2 (D = 220 мм і d = 150 мм) з урахуванням регу-
лювання температури стінки tw < tдоп = 1000 С
142
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
зменшенням сили струму дає змогу підвищити швидкість
прогріву шару частинок у 1,22 раза. Для забезпечення теп-
лосприйняття зовнішньої поверхні Qт.в. = 46650 Вт та внут-
рішньої − Qт.в. = 31500 Вт встановлюються два електронаг-
рівачі з такими конструктивними характеристиками.
Зовнішній електронагрівач: електричний опір − 3,09 Ом,
діаметр дроту − 3,5 мм, сила струму – 123 А, довжина спі-
ралі – 26,3 м, крок між витками − 12 мм, кількість витків –
39 шт. Внутрішній електронагрівач: електричний опір −
4,58 Ом, діаметр дроту − 3 мм, сила струму – 83 А, дов-
жина спіралі – 28,66 м, крок між витками − 7 мм, кількість
витків – 62 шт.
Заслуговує на розгляд ще одне важливе питання, що
стосується процесу крекінгу смоли. Раніше було пока-
зано, що нерухомий шар піролізера необхідно прогрі-
вати до температури, вищої за 600 С, для перетворення
рідкої смоли на легкий газ. Однак смола присутня і в пі-
ролізному сирому газі на виході з піролізера. Піролізний
сирий газ складається з частини, що конденсується, яка
містить смолисті речовини, і частини, що не конденсу-
ється. Під час охолодження відбувається конденсація
смолистих речовин, внаслідок чого частина вторинного
газу пропадає. З цієї причини на виході з піролізера вста-
новлюється реформінг термічного розкладання високо-
молекулярних сполук смолистих речовин під впливом
високих температур. Цей реформінг складається з труби
17, огородженої сорочкою 20, через яку пропускаються
димові гази з температурою 950-1250 С (рис. 8). Ці гази
створюють умови для перебігу реакцій розкладання
смолистих речовин.
Постановка задачі (зовнішній газифікатор). Результати
розрахунків процесів аеродинаміки, тепломасообміну
та хімічного реагування коксозольних залишків Bagasse
і Wood Birch у зовнішньому газифікаторі 48 (рис. 1, a з
[18]) отримані з використанням моделі, описаної в ро-
боті [18]. Початкові та граничні умови: D = 120 мм, Hbed =
1 м, δ0 = 10 мм, ε = 0,477, O2,mas = 0,184, N2,mas = 0,616 і
H2Omas = 0,2, airOH2 +t = 330 С, tp0 = 30 С, Pg = 1 атм, OH2
B
= 1,32 кг/год,
2OB = 1,21 кг/год і
2NB = 4,064 кг/год,
up,bagas = up,birch = -0,00036 м/с, ρp,birch0 = 154,6 кг/м3,
ρp,bagas0 = 228 кг/м3. Гранична умова рівняння теплової
енергії коксозольного залишку − tp (z = Hbed) = 700 С.
Гранична умова на поверхні газифікатора − (∂tp/∂r)r=0,06
= 0. Елементарні склади Bagasse і Wood Birch наведено
у [19].
Аналіз числових досліджень конверсії коксозольного
залишку. Як зазначалося в [18], на початку розпалю-
вання установки в газифікаторі 48 (рис. 1, a з [18]) фор-
мується шар з коксозольних частинок Bagasse (або
Wood Birch), після чого здійснюється його прогрів висо-
котемпературними димовими газами, внаслідок чого
температура шару починає зростати. Після досягнення
температури займання частинок tp ≥ 600 С, що перебу-
вають у вузькій області поруч з решіткою газифікатора,
теплоносій 60 відключається і замість нього під решітку
вводиться пароповітряна суміш 22 (O2mas = 0,184, N2mas =
0,616 і H2Omas = 0,2) з температурою airOH2 +t = 330 С і
починається процес конверсії фіксованого вуглецю
(рис. 1, a з [18]), внаслідок чого відбувається різке зрос-
тання температури частинок до максимального зна-
чення tp,birch,max = 1101,4 С, tp,bagas,max = 1184,6 С у при-
донній зоні (рис. 9).
Рис. 8. Піролізер з нерухомим шаром: 1, 2 – ніхромовий
дріт; 3 − розподільний конус; 4 – внутрішня труба; 5 −
піролізер; 6 – фланець; 7 − очищений середньокалорій-
ний рециркулюючий піролізний газ; 8 − вихід сирого пі-
ролізного газу із зони реформінгу; 9 − вихід димових
газів; 10 − вхід продуктів згоряння; 11 − подавання біо-
маси; 12 − живильник; 13 − бункер частинок біомаси;
14 – мигалка; 15 – вихід сирого піролізного газу з піро-
лізера; 16 − шибер; 17 – зона реформінгу; 18 − зовні-
шня труба; 19 – лінія скидання коксозольного залишку
в газифікатор; 20 − сорочка (рис. 8 слід розглядати
спільно з рис. 1, a з [18])
Fig. 8. Pyrolyzer with a fixed bed: 1, 2 – nichrome wire; 3 −
distribution cone; 4 – inner pipe; 5 − pyrolyzer; 6 – flange;
7 − purified mid-caloric recirculated pyrolysis gas; 8 − exit
of raw pyrolysis gas from the reforming zone; 9 − leaving
flue gases; 10 − combustion products inlet; 11 − biomass
supply; 12 − feeder; 13 − biomass particle hopper; 14 –
flasher valve; 15 – raw pyrolysis gas outlet from the pyro-
lyzer; 16 − gate; 17 – reforming zone; 18 − external pipe;
19 – coke ash residue discharge line to the gasifier; 20 −
jacket (Fig. 8 should be considered together with Fig. 1, a
of [18]).
143
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
Рис. 9. Розподіл температур коксозольних частинок Wood Birch (a) та Bagasse (b) за висотою зовнішнього га-
зифікатора залежно від часу, с: 1 – 600; 2 – 1200; 3 – 2400; 4 – 3600; 5 – 4200; 6 – 5400; 7 – 6600; 8 – 8400; 9 –
9600; 10 – 12 000
Fig. 9. Temperature distribution of Wood Birch (a) and Bagasse (b) coke-ash particles by the height of the external gasi-
fier as a function of time, s: 1 – 600; 2 – 1200; 3 – 2400; 4 – 3600; 5 – 4200; 6 – 5400; 7 – 6600; 8 – 8400; 9 – 9600; 10 –
12000
Рис. 10. Розподіл механічного недопалу коксозольних частинок Wood Birch (a) та Bagasse (b) за висотою зов-
нішнього газифікатора залежно від часу, с: 1 – 600; 2 – 1200; 3 – 2400; 4 – 3600; 5 – 4200; 6 – 5400; 7 – 6600; 8 – 8400;
9 – 9600
Fig. 10. Distribution of mechanical underburning of Wood Birch (a) and Bagasse (b) coke-ash particles by the height of
the external gasifier depending on time, s: 1 – 600; 2 – 1200; 3 – 2400; 4 – 3600; 5 – 4200; 6 – 5400; 7 – 6600; 8 – 8400;
9 – 9600
Рис. 11. Розподіл діаметра коксозольних частинок Wood Birch (a) та Bagasse (b) за висотою газифікатора зале-
жно від часу, с: 1 – 600; 2 – 1200; 3 – 2400; 4 – 3600; 5 – 4200; 6 – 5400; 7 – 6600; 8 – 8400; 9 – 9600
Fig. 11. Distribution of Wood Birch (a) and Bagasse (b) coke ash particle diameter by gasifier height as a function of time,
s: 1 – 600; 2 – 1200; 3 – 2400; 4 – 3600; 5 – 4200; 6 – 5400; 7 – 6600; 8 – 8400; 9 – 9600
144
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
У міру вигоряння шару максимум функції tp (τ, z) починає
зрушуватися вгору, формуючи в нижній частині газифі-
катора шлакову подушку, що складається із золових ча-
стинок діаметром δash,birch = 2,29 мм (рис. 11, a) або
δash,bagas = 3,49 мм (рис. 11, b), з механічним недопалом
q4 = 0 (рис. 10). Інтенсивна конверсія коксозольного за-
лишку відбувається в окислювальній, окислювально-
відновній та відновній зонах реагування газифікаторів.
Тут спостерігається зменшення діаметра частинок δbirch
від 10 до 2,29 мм або δbagas від 10 до 3,49 мм за рахунок
гетерогенних реакцій C + O2 = CO2, C + 0,5O2 = CO, C + СO2
= 2CO та C + H2O = CO + H2 та зниження швидкості части-
нок up,birch від -0,00036 до -4,32∙10-6 м/с або up,bagas від -
0,00036 до -1,53∙10-5 м/с (рис. 11, 12). З газифікатора ви-
ходить неочищений синтетичний газ такого складу
(об’ємні частки): Wood Birch − CO2 = 4,48 %, CO = 30,41 %,
H2 = 16,9 %, H2О = 4,93 % та N2 = 43,3 % з теплотворною
здатністю 5668 кДж/нм3; Bagasse − CO2 = 3,370 %, CO =
32,9 %, H2 = 17,64 %, H2О = 3,73 % та N2 = 42,36 % з тепло-
творною здатністю 6062 кДж/нм3 (рис. 13, 14).
Рис. 12. Розподіл швидкості коксозольних частинок Wood Birch (a) та Bagasse (b) за висотою газифікатора за-
лежно від часу, с: 1 – 600; 2 – 1200; 3 – 2400; 4 – 3600; 5 – 4200; 6 – 5400; 7 – 6600; 8 – 8400; 9 – 9600
Fig. 12. Velocity distribution of Wood Birch (a) and Bagasse (b) coke ash particles by gasifier height as a function of time,
s: 1 – 600; 2 – 1200; 3 – 2400; 4 – 3600; 5 – 4200; 6 – 5400; 7 – 6600; 8 – 8400; 9 – 9600
Рис. 13. Розподіл об’ємних часток компонентів синтетичного газу O2 (a), H2 (b), H2О (c), CO2 (d) та CO (e), отри-
маного з коксозольних частинок Wood Birch, за висотою газифікатора залежно від часу, с: 1 – 600; 2 – 1200; 3 –
2400; 4 – 3600; 5 – 5400; 6 – 8400; 7 – 9600
Fig. 13. Distribution of the volume fractions of synthetic gas components O2 (a), H2 (b), H2О (c), CO2 (d) and CO (e)
obtained from Wood Birch coke oven particles by the height of the gasifier as a function of time, s: 1 – 600; 2 – 1200; 3 –
2400; 4 – 3600; 5 – 5400; 6 – 8400; 7 – 9600
145
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
Рис. 14. Розподіл об’ємних часток компонентів синтетичного газу O2 (a), H2 (b), H2О (c), CO2 (d) та CO (e), отри-
маного з коксозольних частинок Bagasse, за висотою газифікатора залежно від часу, с: 1 – 600; 2 – 1200; 3 –
2400; 4 – 3600; 5 – 4200; 6 – 5400; 7 – 6600; 8 – 8400; 9 – 9600
Fig. 14. Distribution of the volume fractions of synthetic gas components O2 (a), H2 (b), H2О (c), CO2 (d) and CO (e)
obtained from Bagasse coke ash particles by the height of the gasifier as a function of time, s: 1 – 600; 2 – 1200; 3 –
2400; 4 – 3600; 5 – 4200; 6 – 5400; 7 – 6600; 8 – 8400; 9 – 9600
Вміст H2О = 3,73−4,93 % у синтетичному газі невеликий,
тому немає потреби пропускати цей газ через теплооб-
мінник 14 для підвищення його калорійності, а можна
спрямовувати його лінією 45 прямо в камеру згоряння
44 (рис. 1, a з [18]).
Висновки. 1. Основні труднощі, пов’язані з розміщен-
ням електронагрівачів на зовнішній і внутрішній повер-
хнях нагріву піролізера, зумовлені висотою спіралі та
допустимою силою струму. Показано, що в разі викори-
стання конструкції піролізера: Hbed = 450 мм, D = 220 мм,
d = 150 мм [19] з граничними умовами на стінках − tp (τ,
r = 0,075 м) = tp (τ, r = 0,11 м) = 950 С та максимальними
тепловими потоками qr=0.11+ = 320 000 Вт/м2 и qr=0,075- =
330 000 Вт/м2 висота спіралі з ніхромового дроту пере-
вищувала висоту піролізера Hbed = 450 мм. Можливі два
методи усунення цього недоліку. Перший полягає в
тому, щоб замість однієї ніхромової спіралі установити
на зовнішній і внутрішній поверхнях нагріву по дві пара-
лельно ввімкнені спіралі. На внутрішній поверхні – ні-
хромову (діаметр дроту − 3 мм, сила струму − 91,2 А, до-
вжина спіралі – 26,1 м) і вольфрамову (діаметр дроту −
0,5 мм, сила струму − 91,2 А, довжина спіралі − 17,3 м).
На зовнішній поверхні – ніхромову (діаметр дроту −
4 мм, сила струму – 131 А, довжина спіралі − 32,3 м) і во-
льфрамову (діаметр дроту − 0,8 мм, сила струму – 131 А,
довжина спіралі − 31,83 м).
2. Другий метод. Конструкція електронагрівача для зов-
нішньої поверхні піролізера (Hbed = 450 мм, D = 260 мм)
складається з двох паралельно ввімкнених спіралей. Пе-
рша спіраль має 34 витки і виготовляється з ніхромового
дроту діаметром 4 мм, висотою спіралі 264 мм,
завдовжки 27,4 м. Друга − з вольфрамового дроту діа-
метром 1,2 мм, висотою спіралі 186 мм, завдовжки
39,3 м і кількістю витків 48 шт. Сила струму на кожній
спіралі 154,5 А виходить меншою за максимальне допу-
стиме значення – 206 А за температури дроту 1000 С.
Ця конструкція забезпечує сталу роботу електронагрі-
вача при qr=0.13+ = 320000 Вт/м2 і tp (τ, r = 0,13 м) = 950 С.
3. Розроблено дві конструкції електронагрівача для вну-
трішньої поверхні піролізера (Hbed = 450 мм, d = 190 мм).
Перша складається з однієї ніхромової спіралі довжи-
ною 31,2 м, кількістю витків 55 шт., силою струму
211,2 А (допустима 206) і діаметром дроту 5 мм. Порів-
няно із зовнішнім електронагрівачем (п. 2) значення те-
плового потоку qr=0,095- знизилося від 320000 до
299463 Вт/м2 і температура стінки внутрішньої труби
впала від 950 до 905 С, що призвело до невеликих змін
складу піролізного газу і невеликого падіння швидкості
прогріву шару (на 4−8 %). Друга конструкція електрона-
грівача має дві спіралі, які виконані з ніхромового дроту
(діаметром − 3,5 мм, силою струму − 116,5 А, довжи-
ною − 27,74 м, кількістю витків – 48 шт., висотою спі-
ралі − 305,5 мм) і вольфрамової нитки (діаметром −
0,6 мм, силою струму − 116,5 А, довжиною − 22 м, кіль-
кістю витків – 37 шт., висотою спіралі − 144,5 мм). Ця
конструкції забезпечує стійку роботу при qr=0.095- =
330 000 Вт/м2 і tp (τ, r = 0,095 м) = 950 С.
4. Використання рециркуляції піролізних газів як тре-
тього джерела тепла дало змогу зменшити час прогріву
від 48 до 34,5 с (при qr=0,095- = 330 000 Вт/м2 і tp (τ,
r = 0,095 м) = 950 С) і від 52 до 37,14 с (при qr=0,095- =
299463 Вт/м2 і tp (τ, r = 0,095 м) = 905 С), внаслідок чого
146
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
швидкість прогріву шару зросла від 975 до 1355 С/хв і
від 913 до 1278 С/хв, відповідно (розрахунок швидкості
прогрівання шару проводився за середньою температу-
рою частинок).
5. Збільшення міжтрубного зазору (де розташовується
піролізер 6 на рис. 1, a з [18]) від 35 до 45 мм і від 35 до
80 мм за умови використання трьох зовнішніх джерел
тепла і qr=0,095 = 299463 Вт/м2 при tp (τ, r = 0,095 м) =
905 С призвело до зменшення швидкості прогріву шару
від 1278 до 1014,3 С/хв та від 1278 до 825 С/хв, відпо-
відно.
6. Сумарна кількість електроенергії, сприйнята поверх-
нями нагріву піролізера за весь період прогріву шару за
умови використання двох джерел нагріву − 2,02 кВт∙год
виявляється вищою, ніж за умови використання трьох
джерел − 1,4 кВт∙год. Зниження кількості електроенергії
залежить від зовнішнього діаметра піролізера. При D =
260 мм зниження електроенергії становить 30,6 %.
7. На виході з газифікатора отримуємо неочищений ни-
зькокалорійний синтетичний газ з Wood Birch − CO2 =
4,48 %, CO= 30,41 %, H2 = 16,9 %, H2О = 4,93 % та N2 =
43,3 % з теплотворною здатністю 5668 кДж/нм3 (з
Bagasse − CO2 = 3,370 %, CO = 32,9 %, H2 = 17,64 %, H2О =
3,73 % та N2 = 42,36 % з теплотворною здатністю
6062 кДж/нм3), який практично не містить смол і може
використовуватись на міні-ТЕЦ шляхом подачі його в ка-
меру згоряння поршневого двигуна.
8. Показано, що розподіл швидкостей дисперсної фази
є дзеркальним відображенням профілю діаметра части-
нок. Різке зменшення діаметра та швидкості руху коксо-
зольних частинок має місце в кисневій та окислюва-
льно-відновній зонах та на ділянці газифікації, де
протікає інтенсивна конверсія коксозольних частинок
через гетерогенні хімічні реакції.
9. Напрацьована у придонній зоні зола формує шлакову
подушку з механічним недопалом q4 = 0, висота якої пі-
двищується з часом. Для регулювання висоти шлакової
подушки необхідно періодично виводити золу з газоге-
нератора.
Позначення
D – діаметр піролизера, м; d – діаметр внутрішнього ци-
ліндра; H – висота, м; Q – теплосприйняття зовнішньої
поверхні піролізера, Вт; q – тепловий потік, що падає на
поверхню труби, кДж/(с∙м2); q4 – механічний недопал;
r – радіальна координата, м; R – об’ємна частка компо-
нента газової суміші; t – температура, С; u – швидкість,
м/с; δ – діаметр частинки, м; ε – порозність шару; ρ –
щільність, кг/м3; τ – час, с. Індекси: bagas – багассе;
birch – Wood Birch; bed − щар; g − газ; max – максималь-
ний; mas – маса; min − мінімальний; p − частинка; доп –
допустимый; пір – піролізер; ср − середній; т.в. – тепло-
сприйняття; 0 – початкове значення параметра; I–VIII, i–
iii, iv – варіанти розрахунку; 1 – первинний піролізний
газ.
ПОСИЛАННЯ
1. Heidenreich, S.; Müller, M.; Foscolo, P.U. Advanced
Biomass Gasification: New Concepts for Efficiency
Increase and Product Flexibility. Elsevier: Amsterdam,
The Netherlands. 2016. 140 p.
2. Kumar, A.; Jones, D.; Hanna, M. Thermochemical
Biomass Gasification: A Review of the Current Status of
the Technology. Energies. 2009. Vol. 2. Pp. 556–581.
3. Mazaheri, N.; Akbarzadeh, A. H.; Madadian, E.; Lefsrud,
M. Systematic Review of Research Guidelines for
Numerical Simulation of Biomass Gasification for
Bioenergy Production. Energy Convers. Manag. 2019.
Vol. 183. Pp. 671–688.
4. Ramos, A.; Monteiro, E.; Silva, V.; Rouboa, A. Co-
Gasification and Recent Developments on Waste-to-
Energy Conversion: A Review. Renew. Sustain. Energy
Rev. 2018. Vol. 81. Pp. 380–398.
5. Chanthakett, A.; Arif, M. T.; Khan, M.M.K.; Oo, A.M.T.
Performance Assessment of Gasification Reactors for
Sustainable Management of Municipal SolidWaste. J.
Environ. Manag. 2021. Vol. 291. 112661.
6. Pio, D. T.; Tarelho, L. A. C. Industrial Gasification
Systems (>3 MWth) for Bioenergy in Europe: Current
Status and Future Perspectives. Renew. Sustain. Energy
Rev. 2021. Vol. 145. 111108.
7. Materazzi, M.; Lettieri, P.; Mazzei, L.; Taylor, R.;
Chapman, C. Thermodynamic Modelling and Evaluation
of a Two-Stage Thermal Process for Waste Gasification.
Fuel. 2013. Vol. 108. Pp. 356–369.
8. Buragohain, B.; Mahanta, P.; Moholkar, V.S. Biomass
Gasification for Decentralized Power Generation: The
Indian Perspective. Renew. Sustain. Energy Rev. 2010.
Vol. 4. Pp. 73–92.
9. Ruiz, J. A.; Juárez, M. C.; Morales, M. P.; Muñoz, P.;
Mendívil, M. A. Biomass Gasification for Electricity
Generation: Review of Current Technology Barriers.
Renew. Sustain. Energy Rev. 2013. Vol. 18. Pp. 174–183.
10. Nobre, C.; Longo, A.; Vilarinho, C.; Gonçalves, M.
Gasification of Pellets Produced from Blends of
BiomassWastes and Refuse Derived Fuel Chars. Renew.
Energy. 2020. Vol. 154. Pp. 1294–1303.
11. George, J.; Arun, P.; Muraleedharan, C. Experimental
Investigation on Co-Gasification of Coffee Husk and
Sawdust in a Bubbling Fluidised Bed Gasifier. J. Energy
Inst. 2019. Vol. 92. Pp. 1977–1986.
12. Warnecke, R. Gasification of Biomass: Comparison of
Fixed Bed and Fluidized Bed Gasifier. Biomass
Bioenergy. 2000. Vol. 18. Pp. 489–497.
13. Xue, G.; Kwapinska, M.; Horvat, A.; Kwapinski, W.;
Rabou, L.P.L.M.; Dooley, S.; Czajka, K.M.; Leahy, J.J.
Gasification of Torrefied Miscanthus×giganteus in an
Air-Blown Bubbling Fluidized Bed Gasifier. Bioresour.
Technol. 2014. Vol. 159. Pp. 397–403.
14. Tremel, A.; Becherer, D.; Fendt, S.; Gaderer, M.;
Spliethoff, H. Performance of Entrained Flow and
Fluidised Bed Biomass Gasifiers on Different Scales.
Energy Convers. Manag. 2013. Vol. 69. Pp. 95–106.
15. Mazzoni, L.; Janajreh, I.; Elagroudy, S.; Ghenai, C.
Modeling of Plasma and Entrained Flow Co-Gasification
147
Відновлювана енергетика. №1/2025 |Біоенергетика
of MSW and Petroleum Sludge. Energy. 2020. Vol. 196.
117001.
16. Molino, A.; Iovane, P.; Donatelli, A.; Braccioa, G.;
Chianese, S.; Musmarra, D. Steam Gasification of
Refuse-Derived Fuel in a Rotary Kiln Pilot Plant:
Experimental Tests. Chem. Eng. Trans. 2013. Vol. 32.
Pp. 337–342.
17. Arena, U. Process and Technological Aspects of
Municipal SolidWaste Gasification. A Review. Waste
Manag. 2012. Vol. 32. Pp. 625–639.
18. 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.
19. 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.
20. Рохман Б. Б., Кобзар С. Г. Конструктивні особливості
дослідної установки та числові дослідження про-
цесу термохімічної переробки біомаси. Ч. 3. Вплив
теплоємності та теплового ефекту терморозпаду на
швидкість прогрівання шару частинок Wood Birch.
Відновлювана енергетика. 2024. № 4. С. 119–134.
REFERENCES
1. Heidenreich, S.; Müller, M.; Foscolo, P.U. Advanced
Biomass Gasification: New Concepts for Efficiency
Increase and Product Flexibility. Elsevier: Amsterdam,
The Netherlands. 2016. 140 p.
2. Kumar, A.; Jones, D.; Hanna, M. Thermochemical
Biomass Gasification: A Review of the Current Status of
the Technology. Energies. 2009. Vol. 2. Pp. 556–581.
3. Mazaheri, N.; Akbarzadeh, A.H.; Madadian, E.; Lefsrud,
M. Systematic Review of Research Guidelines for
Numerical Simulation of Biomass Gasification for
Bioenergy Production. Energy Convers. Manag. 2019.
Vol. 183. Pp.671–688.
4. Ramos, A.; Monteiro, E.; Silva, V.; Rouboa, A. Co-
Gasification and Recent Developments on Waste-to-
Energy Conversion: A Review. Renew. Sustain. Energy
Rev. 2018. Vol. 81. Pp. 380–398.
5. Chanthakett, A.; Arif, M.T.; Khan, M.M.K.; Oo, A.M.T.
Performance Assessment of Gasification Reactors for
Sustainable Management of Municipal SolidWaste. J.
Environ. Manag. 2021. Vol. 291. 112661.
6. Pio, D.T.; Tarelho, L.A.C. Industrial Gasification Systems
(>3 MWth) for Bioenergy in Europe: Current Status and
Future Perspectives. Renew. Sustain. Energy Rev. 2021.
Vol. 145. 111108.
7. Materazzi, M.; Lettieri, P.; Mazzei, L.; Taylor, R.;
Chapman, C. Thermodynamic Modelling and Evaluation
of a Two-Stage Thermal Process for Waste Gasification.
Fuel. 2013. Vol. 108. Pp. 356–369.
8. Buragohain, B.; Mahanta, P.; Moholkar, V.S. Biomass
Gasification for Decentralized Power Generation: The
Indian Perspective. Renew. Sustain. Energy Rev. 2010.
Vol. 14. Pp. 73–92.
9. Ruiz, J.A.; Juárez, M.C.; Morales, M.P.; Muñoz, P.;
Mendívil, M.A. Biomass Gasification for Electricity
Generation: Review of Current Technology Barriers.
Renew. Sustain. Energy Rev. 2013. Vol. 18. Pp. 174–
183.
10. Nobre, C.; Longo, A.; Vilarinho, C.; Gonçalves, M.
Gasification of Pellets Produced from Blends of
BiomassWastes and Refuse Derived Fuel Chars. Renew.
Energy. 2020. Vol. 154. Pp. 1294–1303.
11. George, J.; Arun, P.; Muraleedharan, C. Experimental
Investigation on Co-Gasification of Coffee Husk and
Sawdust in a Bubbling Fluidised Bed Gasifier. J. Energy
Inst. 2019. Vol. 92. Pp. 1977–1986.
12. Warnecke, R. Gasification of Biomass: Comparison of
Fixed Bed and Fluidized Bed Gasifier. Biomass
Bioenergy. 2000. Vol. 18. Pp. 489–497.
13. Xue, G.; Kwapinska, M.; Horvat, A.; Kwapinski, W.;
Rabou, L.P.L.M.; Dooley, S.; Czajka, K. M.; Leahy,
J.J. Gasification of Torrefied Miscanthus×giganteus in an
Air-Blown Bubbling Fluidized Bed Gasifier. Bioresour.
Technol. 2014. Vol. 159. Pp. 397–403.
14. Tremel, A.; Becherer, D.; Fendt, S.; Gaderer, M.;
Spliethoff, H. Performance of Entrained Flow and
Fluidised Bed Biomass Gasifiers on Different Scales.
Energy Convers. Manag. 2013. Vol. 69. Pp. 95–106.
15. Mazzoni, L.; Janajreh, I.; Elagroudy, S.; Ghenai, C.
Modeling of Plasma and Entrained Flow Co-Gasification
of MSW and Petroleum Sludge. Energy. 2020. Vol. 196.
117001.
16. Molino, A.; Iovane, P.; Donatelli, A.; Braccioa, G.;
Chianese, S.; Musmarra, D. Steam Gasification of
Refuse-Derived Fuel in a Rotary Kiln Pilot Plant:
Experimental Tests. Chem. Eng. Trans. 2013. Vol. 32.
Pp. 337–342.
17. Arena, U. Process and Technological Aspects of
Municipal SolidWaste Gasification. A Review. Waste
Manag. 2012. Vol. 32. Pp. 625–639.
18. Rokhman, B., Kobzar, S. Design features of the
experimental unit and numerical studies of biomass
thermochemical processing. Part. 1. Description of the
reactor and modeling of the workflow. Vidnovluvana
energetika. 2024. № 2. P. 123–236.
19. Rokhman, B., Kobzar, S. Design features of the
experimental unit and numerical studies of biomass
thermochemical processing. Part. 2. Analysis of the
pyrolysis process in a fixed bed apparatus. Vidnovluvana
energetika. 2024. № 3. P. 153–165.
20. Rokhman, B., Kobzar, S. Design features of the
experimental unit and numerical studies of biomass
thermochemical processing. Part. 3. Тhe influence of
heat capacity and thermal decay effect on the heating
rate of Wood Birch particle bed. Vidnovluvana
energetika. 2024. № 4. P. 119–134.
https://ve.org.ua/index.php/index
https://ve.org.ua/index.php/index
https://ve.org.ua/index.php/index
https://ve.org.ua/index.php/index
https://ve.org.ua/index.php/index
https://ve.org.ua/index.php/index
|
| id | veorgua-article-517 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:15:25Z |
| publishDate | 2025 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/12/a34fd017a785d2d3e0be5989aad88f12.pdf |
| spelling | veorgua-article-5172026-07-18T06:32:21Z DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMO-CHEMICAL PROCESSING PART 4 CALCULATIONS RESULTS OF ELECTRIC HEATERS AND COKE ASH RESIDUE GASIFICATION КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ ЧАСТИНА 4 РЕЗУЛЬТАТИ РОЗРАХУНКІВ ЕЛЕКТРОНАГРІВАЧІВ І ПРОЦЕСУ ГАЗИФІКАЦІЇ КОКСОЗОЛЬНОГО ЗАЛИШКУ Rokhman, B. Kobzar, S. Chetveryk , H. Senchyk , M. fixed bed, biomass, Wood Birch, thermal conductivity, pyrolysis, gas, temperature, thermal energy, recycling, electric heater. нерухомий шар, біомаса, Wood Birch, теплопровідність, піроліз, газ, температура, те-плова енергія, рециркуляція, електронагрівач. The fourth part of this work is devoted to the development of designs of electric heaters for the pyrolyzer external and in-ternal heating surfaces, providing stable operation at the maximum load of 320000-330000 W/m2 at the temperature of enclosing surfaces 950 С. The results of calculations show that for stable operation in the specified range of loads the electric heater structures should consist of two parallel spirals made of nichrome and tungsten wires. The main characteris-tics of nichrome spirals: for the inner surface (tube diameter 190 mm) − wire diameter − 3,5 mm, current strength − 116,5 A, wire length − 27,74 m; for the outer surface (diameter 260 mm) − wire diameter − 4 mm, current strength − 154,5 A, wire length − 27,4 m. Spirals made of tungsten: for the inner surface − diameter − 0,6 mm, current strength − 116,5 A, length − 22 m; for the outer surface − diameter − 1,2 mm, current strength − 154,5 A, length − 39,3 m. The use of pyrolysis gas recirculation as a third heat source reduced the heating time of the Wood Birch particle bed from 48 to 34,5 s, which resulted in an increase in the bed heating rate from 975 to 1355 С/min. Using the model described in the first part of the work, numerical studies of the process of gasification of coke-sol residues of Birch and Bagasse particles were carried out. At the outlet of the gas generator untreated low-calorie syn-thetic gases of the following compositions were obtained: from Wood Birch CO2 = 4,48 %, CO = 30,41 %, H2 = 16,9 %, H2О = 4,93 % and N2 = 43,3 % with calorific value of 5668 kJ/nm3; from Bagasse − CO2 = 3,370 %, CO = 32,9 %, H2 = 17,64 %, H2О = 3,73 % and N2 = 42,36 % with calorific value of 6062 kJ/nm3. These gases are tar-free and can be used in combustion chambers of reciprocating engines installed at mini-CHPs. Частина 4 цієї роботи присвячена розробці конструкцій електронагрівачів для зовнішньої та внутрішньої повер-хонь нагріву піролізера, які б забезпечували стійку роботу на максимальному навантаженні 320 000−330 000 Вт/м2 за температури огороджувальних поверхонь 950 С. Ре-зультати розрахунків показують, що для стійкої роботи в зазначеному інтервалі навантажень конструкції елек-тронагрівачів мають складатися з двох паралельно ввім-кнутих спіралей, виготовлених з ніхромового і вольфра-мового дротів. Основні характеристики спіралей, виготовлених з ніхрому, такі: для внутрішньої поверхні (діаметр труби 190 мм) діаметр дроту становить 3,5 мм, сила струму − 116,5 А, довжина дроту − 27,74 м; для зовнішньої поверхні (діаметр 260 мм) − діаметр дроту −4 мм, сила струму − 154,5 А, дов-жина дроту − 27,4 м. Спіралі, виготовлені з вольфраму, мають такі характеристики: для внутрішньої поверхні діаметр становить 0,6 мм, сила струму − 116,5 А, довжина – 22 м; для зовнішньої поверхні ді-аметр становить 1,2 мм, сила струму – 154,5 А, довжина − 39,3 м. Використання рециркуляції піроліз-них газів як третього джерела тепла дало змогу зменшити час прогріву шару частинок Wood Birch від 48 до 34,5 с, внаслідок чого швидкість прогріву шару зросла від 975 до 1355 С/хв. З використанням мо-делі, описаної в першій частині роботи, проведено числові дослідження процесу газифікації коксозольних залишків частинок берези та багаси. На виході з газогенератора отримано неочищені низькокалорійні синтетичні гази, що мають такий склад: з Wood Birch − CO2 = 4,48 %, CO = 30,41 %, H2 = 16,9 %, H2О = 4,93 % та N2 = 43,3 % з теплотворною здатністю 5668 кДж/нм3; з Bagasse − CO2 = 3,370 %, CO = 32,9 %, H2 = 17,64 %, H2О = 3,73 % та N2 = 42,36 % з теплотворною здатністю 6062 кДж/нм3. Ці гази не мають смол і можуть бути використані в камерах згоряння поршневих двигунів, встановлених на міні-ТЕЦ. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2025-04-01 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/517 10.36296/1819-8058.2025.1(80).133-147 Vidnovluvana energetika ; No. 1(80) (2025): Scientific and applied Journal renewable energy ; 133-147 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 1(80) (2025): Scientific and applied Journal renewable energy ; 133-147 Відновлювана енергетика; № 1(80) (2025): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 133-147 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2025.1(80) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/517/424 Copyright (c) 2025 B. Rokhman, S. Kobzar, H. Chetveryk , M. Senchyk 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. Kobzar, S. Chetveryk , H. Senchyk , M. DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMO-CHEMICAL PROCESSING PART 4 CALCULATIONS RESULTS OF ELECTRIC HEATERS AND COKE ASH RESIDUE GASIFICATION |
| title | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMO-CHEMICAL PROCESSING PART 4 CALCULATIONS RESULTS OF ELECTRIC HEATERS AND COKE ASH RESIDUE GASIFICATION |
| title_alt | КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ ЧАСТИНА 4 РЕЗУЛЬТАТИ РОЗРАХУНКІВ ЕЛЕКТРОНАГРІВАЧІВ І ПРОЦЕСУ ГАЗИФІКАЦІЇ КОКСОЗОЛЬНОГО ЗАЛИШКУ |
| title_full | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMO-CHEMICAL PROCESSING PART 4 CALCULATIONS RESULTS OF ELECTRIC HEATERS AND COKE ASH RESIDUE GASIFICATION |
| title_fullStr | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMO-CHEMICAL PROCESSING PART 4 CALCULATIONS RESULTS OF ELECTRIC HEATERS AND COKE ASH RESIDUE GASIFICATION |
| title_full_unstemmed | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMO-CHEMICAL PROCESSING PART 4 CALCULATIONS RESULTS OF ELECTRIC HEATERS AND COKE ASH RESIDUE GASIFICATION |
| title_short | DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMO-CHEMICAL PROCESSING PART 4 CALCULATIONS RESULTS OF ELECTRIC HEATERS AND COKE ASH RESIDUE GASIFICATION |
| title_sort | design features of the experimental unit and numerical studies of biomass thermo-chemical processing part 4 calculations results of electric heaters and coke ash residue gasification |
| 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 те-плова енергія рециркуляція електронагрівач. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/517 |
| work_keys_str_mv | AT rokhmanb designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbiomassthermochemicalprocessingpart4calculationsresultsofelectricheatersandcokeashresiduegasification AT kobzars designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbiomassthermochemicalprocessingpart4calculationsresultsofelectricheatersandcokeashresiduegasification AT chetverykh designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbiomassthermochemicalprocessingpart4calculationsresultsofelectricheatersandcokeashresiduegasification AT senchykm designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbiomassthermochemicalprocessingpart4calculationsresultsofelectricheatersandcokeashresiduegasification AT rokhmanb konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina4rezulʹtatirozrahunkívelektronagrívačívíprocesugazifíkacííkoksozolʹnogozališku AT kobzars konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina4rezulʹtatirozrahunkívelektronagrívačívíprocesugazifíkacííkoksozolʹnogozališku AT chetverykh konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina4rezulʹtatirozrahunkívelektronagrívačívíprocesugazifíkacííkoksozolʹnogozališku AT senchykm konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina4rezulʹtatirozrahunkívelektronagrívačívíprocesugazifíkacííkoksozolʹnogozališku |