DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 5 PYROLYSIS OF FINE BIOMASS PARTICLES IN AN UPWARD FLOW

A model of polydisperse ensemble of biomass particles pyrolysis in an upward high-temperature flow of pyrolysis gas is constructed. The model includes radiant and convective heat exchange of particles with the pyrolyzer wall and gas, heat exchange with the wall and pyrolysis gas, drag and gravity fo...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2025
Автори:	Rokhman , B., Kobzar , S., Chetveryk , H.
Формат:	Стаття
Мова:	Українська
Опубліковано:	Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2025
Теми:	upward flow biomass Bagasse pyrolysis conductive radiant heat exchange gas temperature.
Онлайн доступ:	https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/540
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Vidnovluvana energetika
Завантажити файл:

Репозитарії

Vidnovluvana energetika

_version_	1871103942297911296
author	Rokhman , B. Kobzar , S. Chetveryk , H.
author_facet	Rokhman , B. Kobzar , S. Chetveryk , H.
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 NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" }, { "author": "H. Chetveryk ", "institution": "Institute of Renewable Energy NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine" } ]
author_sort	Rokhman , B.
baseUrl_str	https://ve.org.ua/index.php/journal/oai
collection	OJS
datestamp_date	2026-07-18T06:32:22Z
description	A model of polydisperse ensemble of biomass particles pyrolysis in an upward high-temperature flow of pyrolysis gas is constructed. The model includes radiant and convective heat exchange of particles with the pyrolyzer wall and gas, heat exchange with the wall and pyrolysis gas, drag and gravity forces, kinetics of thermolysis reactions: three parallel reactions of decomposition of the active part of biomass into primary pyrolysis gas, tar and char and secondary reactions of tar transformation into light gas and char. Analytical expressions for gas velocity, phase temperatures, gas density and pressure are derived, which can be used at each step of integration of the system of equations describing the pyrolysis process in an upward gas-disperse flow. An iterative cycle designed to calculate the pressure drop of pyrolysis gas at each step of integration has been developed. Using the model, numerical studies of the pyrolysis process of three Bagasse particles fractions with diameters of 0,9 mm, 0,95 mm and 1 mm were carried out in a plant with a biomass throughput of 66 kg/h in the medium of recirculating dry pyrolysis gas in the amount of 164,6 kg/h. This provided detailed information on the design and physico-chemical process parameters required for the development of the design documentation of the pyrolyzer. Two pyrolyzer designs were considered: cylindrical with a diameter of 200 mm and a height of 5 m, and with an expanding cone: inlet diameter 200 mm, outlet diameter 340 mm. The expanding cone was made in order to increase the particles and gas residence time in the pyrolyzer required for complete tar cracking. This made it possible to reduce the height of the pyrolyzer by 2 m compared to the cylindrical design.
doi_str_mv	10.36296/1819-8058.2025.2(81).188-201
first_indexed	2025-07-17T11:40:05Z
format	Article
fulltext	188 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика УДК 532.529: 532.517.4 https://doi.org/10.36296/1819-8058.2025.1(80).188-201 КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ ЧАСТИНА 5 ПІРОЛІЗ ДРІБНОДИСПЕРСНИХ ЧАСТИНОК БІОМАСИ У ВИСХІДНОМУ ПОТОЦІ Отримано 15 вер. 2024 р.; рекомендовано до публікації 27 черв. 2025 р. Доступно онлайн 30 черв. 2025 р. Рохман Б. Б.1, Кобзар С. Г.2, Четверик Г. О.3 Автор для кореспонденції: Рохман Болеслав, e-mail: brolene@yahoo.com Побудовано модель піролізу полідисперсного ансамблю частинок біомаси у висхідному високотемпературному потоці піролізного газу. Модель включає в себе промени- стий і конвективний теплообмін частинок зі стінкою пі- ролізера і газом, теплообмін зі стінкою і піролізним га- зом, силу опору і силу тяжіння, кінетику реакцій термолізу: три паралельні реакції розкладання активної частини біомаси на первинний піролізний газ, смолу та char і вторинні реакції перетворення смоли на лег- кий газ і char. Виведено аналітичні вирази для швидкості газу, температур фаз, щільності й тиску газу, які можуть бути використані на кожному кроці інтегрування системи рівнянь, що описують процес піро- лізу. Розроблено ітераційний цикл, призначений для обчислення перепаду тиску піролізного газу на кож- ному кроці інтегрування. З використанням моделі проведено числові дослідження процесу піролізу трьох фракцій частинок Bagasse діаметрами 0,9 мм, 0,95 мм і 1 мм в установці, продуктивність за біомасою 66 кг/год у середовищі піролізного газу в кількості 164,6 кг/год. Це дало змогу отримати детальну інформа- цію щодо конструктивних і фізико-хімічних параметрів процесу, необхідних для розроблення конструк- торської документації піролізера. Розглядалися дві конструкції піролізера: циліндрична діаметром 200 мм і заввишки 5 м; з розширюваним конусом − вхідний діаметр 200 мм, вихідний діаметр 340 мм. Конус, що розширюється, був зроблений для того, щоб підвищити час перебування частинок і газу в піролізері, не- обхідний для повного крекінгу смоли. Це дало можливість зменшити висоту піролізера на 2 м порівняно з циліндричною конструкцією. Ключові слова: висхідний потік, біомаса, Bagasse, піроліз, кондуктивний, радіаційний, теплообмін, газ, температура. DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMO- CHEMICAL PROCESSING PART 5 PYROLYSIS OF FINE BIOMASS PARTICLES IN AN UPWARD FLOW Received Sep. 15, 2024; accepted Jun. 27, 2025 Available online Jun. 30, 2025 Rokhman B.1, Kobzar S.2, Chetveryk H.3 Author for correspondence: Rokhman Boleslav, e-mail: brolene@yahoo.com A model of polydisperse ensemble of biomass particles py- rolysis in an upward high-temperature flow of pyrolysis gas is constructed. The model includes radiant and convective heat exchange of particles with the pyrolyzer wall and gas, heat exchange with the wall and pyrolysis gas, drag and gravity forces, kinetics of thermolysis reactions: three paral- lel reactions of decomposition of the active part of biomass 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 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 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/0000-0001-9398-1968 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 NAS of Ukraine, Kyiv, Ukraine 189 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика into primary pyrolysis gas, tar and char and secondary reactions of tar transformation into light gas and char. Analytical expressions for gas velocity, phase temperatures, gas density and pressure are derived, which can be used at each step of integration of the system of equations describing the pyrolysis process in an upward gas- disperse flow. An iterative cycle designed to calculate the pressure drop of pyrolysis gas at each step of integra- tion has been developed. Using the model, numerical studies of the pyrolysis process of three Bagasse particles fractions with diameters of 0,9 mm, 0,95 mm and 1 mm were carried out in a plant with a biomass throughput of 66 kg/h in the medium of recirculating dry pyrolysis gas in the amount of 164,6 kg/h. This provided detailed information on the design and physico-chemical process parameters required for the development of the design documentation of the pyrolyzer. Two pyrolyzer designs were considered: cylindrical with a diameter of 200 mm and a height of 5 m, and with an expanding cone: inlet diameter 200 mm, outlet diameter 340 mm. The ex- panding cone was made in order to increase the particles and gas residence time in the pyrolyzer required for complete tar cracking. This made it possible to reduce the height of the pyrolyzer by 2 m compared to the cylindrical design. Keywords: upward flow, biomass, Bagasse, pyrolysis, conductive, radiant, heat exchange, gas, temperature. Вступ. Виробництво первинної енергії у світі до 2019 року збільшилося на 2 %, причому більша частина його припадає на нафту, за якою йде природний газ. Попит на природний газ (ПГ) значно зріс (29 %), оскільки багато країн розглядають ПГ як паливо з низьким рівнем вики- дів. За оцінками, найближчими роками спостерігати- меться зниження споживання вугілля для виробництва енергії. Завдяки значним інвестиціям у розвиток інфра- структури 11 % світової первинної енергії буде отри- мано завдяки технологіям відновлюваної енергетики, причому найбільша частка припадає на гідроенерге- тику, за якою слідує енергія вітру [1]. У Канаді частка від- новлюваних джерел енергії становить 14 % [2]. Про- блеми, пов’язані з електростанціями, що працюють на викопному паливі, і стабільністю енергосистеми, вима- гають ретельного вивчення аспектів модернізації та ви- користання біомаси як альтернативного джерела па- лива [3]. Біомаса вважається поновлюваним джерелом енергії. Частка біомаси у виробництві первинної енергії в галузі відновлюваних джерел енергії становить 35 %. У Канаді ця частка становить 23 % [4]. Склад одержуваного з біомаси піролізного газу зале- жить від різних чинників, як-от вихідне паливо, розмір частинок, швидкість потоку газу, витрата сировини, кон- фігурація хімічного реактора, робочі умови: темпера- тура, тиск і каталізатор. До складу біомаси входить це- люлоза, геміцелюлоза і лігнін, а також екстрактивні вуглеводні, ліпіди, білки, прості цукри, крохмаль, вода і зола. Біопаливо (біоолія, піролізний газ, деревне ву- гілля), яке отримують з біомаси шляхом піролізу, поді- ляють на три категорії залежно від виходу продуктів пі- ролізу, температури та швидкості нагрівання [5]. Максимальний вихід біоолії, що перевищує 75 %, дося- гається під час піролізу зі спалахом, але він вимагає ви- сокої температури реакції та дуже високих швидкостей нагріву, тоді як швидкий піроліз дає гарний вихід олії та піролізного газу за відносно нижчих температур та мен- ших швидкостей нагріву. Повільний піроліз, що протікає за нижчих швидкостей нагріву і нижчої температури, сприяє утворенню деревного вугілля і низькокалорій- ного сингазу. Для проведення швидкого піролізу необхідна початкова підготовка вихідної біомаси. Вона охоплює сушіння та подрібнення, після чого біомаса по- трапляє в реактор піролізу, де відбувається термохіміч- ний процес вихідного палива [6]. Реакції розглянутого процесу є ендотермічними, і за контрольованих умов матеріали біомаси можуть бути перетворені на газопо- дібне паливо, відоме як сінгаз, що складається з окису вуглецю, водню, метану та вуглекислого газу. Інші про- дукти, одержувані з біомаси, − це біосировина (біоолія), біометанол, біодизель тощо. Тут протікають реакції пе- ретворення смоли на легкий газ, а також реакції терміч- ного крекінгу та метанування [7]. Біомаса піддається од- ночасно поєднанню реакцій, зокрема дегідратації, деполімеризації, фрагментації, перегрупуванню та кон- денсації. Різні види сировини та відходів біомаси, наявні у вільному продажу, відрізняються за складом целю- лози, геміцелюлози та лігніну. Для отримання висщого виходу біоолії кращим є високий вміст целюлози, яка становить 75−93 % від виходу біоолії. Целюлоза виділяє найбільшу кількість CO, геміцелюлоза − вуглекислого газу, а лігнін − H2 і метану [7]. Зазвичай не всі види біо- маси підходять для виробництва сингазу, і вибір сиро- вини відіграє вирішальну роль для отримання вищого виходу піролізного газу, крім умов експлуатації та вико- ристовуваних реакторів. Лігнін виділяє в чотири рази бі- льше H2, ніж целюлоза, і в три рази більше, ніж геміце- люлоза. Отже, вищий вміст целюлози й лігніну в сировині приведе до отримання сингазу, в якому осно- вними газами є H2 і CO. Одним з методів зменшення вмі- сту целюлози та геміцелюлози і збільшення вмісту ліг- ніну в паливі є компостування. Це процес біологічного розкладання з використанням мікроорганізмів, таких як бактерії або гриби, речовини на гумінових кислотах, фу- львокислотах, цукристих речовинах, аміаку, воді та ви- діленні вуглекислого газу з виділенням тепла. Було проведено альтернативний аналіз основних ком- понентів біомаси для отримання максимального виходу сингазу, а саме елементного складу C, H, O [8]. У цьому дослідженні вміст C, H і O коливався і становив загалом 78 зразків сировини, в яких вміст вуглецю становить 35,9−55,9 %, кисню – 30,5−46,5 % і водню − від 2,67 до 190 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика 9,67 % [8]. Було помічено, що зі збільшенням вмісту вуг- лецю в біомасі вихід H2 і CO знижується за температури вище 700 °C, що призводить до зниження співвідно- шення H2/CO до 1,1 раза за температури вище 850 °C. Таким чином, збільшення вмісту C знижує вихід сингазу, тоді як збільшення вмісту H сприяє виробництву H2, а ві- дношення H2/CO буде вищим через фіксоване співвід- ношення O/C 0,66 у сировині біомаси. До того ж вплив вмісту кисню в біомасі приводить до зниження вироб- ництва H2 і збільшення виділення CO. Відношення H2/CO знижується з 1,8 до 0,8 за температур вище 700 °C [8]. Для реакцій швидкого і блискавичного піролізу потрібні високі теплові потоки залежно від властивостей сиро- вини. Передача тепла до біомаси повинна відбуватися за дуже короткий час з негайним гасінням після утво- рення продукту або подальшого процесу переробки. Швидкість теплопередачі до частинок має становити від 600 до 1000 Вт/см 2 . Теплота піролізу (енергія, необхідна для термічного розриву зв‘язків макрополімеру) дося- гає 1000 кДж/кг (набагато вища, ніж під час риформінгу метану, який потребує 750 кДж/кг). Менша фрагмента- ція молекул сприяє якісному співвідношенню H2/CO. Отже, потрібен коротший час перебування парів, а ком- бінований ефект короткого часу перебування та охоло- дження парів називається ступенем крекінгу. Ступінь крекінгу є одним з основних параметрів, які необхідно встановити для отримання вищих виходів біоолії та газу. Вибір ефективних методів нагріву для різних типів реак- торів, що використовуються під час піролізу біомаси, має велике значення для отримання вищих виходів газу. У реакторах з киплячим шаром нагрітий газ, що рецир- кулює, розглядають як теплоносій, який також може бути використаний для створення бульбашкового ре- жиму псевдозрідження, тоді як киплячий шар, що цир- кулює, нагрівають за рахунок тепла, яке проходить че- рез стінки реактора, або подачі в шар нагрітого піску. Крім того, у шар подається попередньо нагрітий газ для псевдозрідження великих частинок і пневмотранспорту дрібних частинок у надшаровому просторі. Для псев- дозріджених і кварцових шарів також розроблено аль- тернативні способи нагріву з використанням відновлю- ваних джерел енергії, таких як Сонце. Це обмежено масштабованістю і безперервністю через непостійність джерела тепла [9]. У дослідженому абляційному реак- торі для піролізу здебільшого використовується гаряча провідна поверхня (нагрівання стінок). В оже-реакторі використовується нагрітий пісок, змішаний з біомасою перед входом у зону нагріву додаткової стінки [10, 11]. У плазмовому піролізному реакторі використовується радіочастота [12], а в мікрохвильовому реакторі – елек- тромагнітний метод нагріву [13]. Для обертового, кону- сного типу реактора, який був описаний у роботі [14], використовується нагрітий пісок, отриманий внаслідок спалювання в ньому деревного вугілля. Розмір вихідної сировини є важливим параметром для отримання ви- щого виходу піролізного газу. Частинки дуже дрібного розміру вступають у кінетичні реакції, які забезпечують вищу швидкість виробництва піролізного газу за тієї ж робочої температури. Зменшення розміру вихідної си- ровини пов’язане з витратами; наприклад, при змен- шенні розміру з 2,5 мм до 250 мкм витрати зростають від 1,8 дол. за тонну до 5,6 дол. за тонну, відповідно. До- слідження [15] показало, що дуже дрібні частинки ма- ють тенденцію до утворення вищої зольності, що зни- жує вихід рідини, а це, як очікується, призведе до зниження виходу газу. За більшого розміру частинок ре- жим піролізу переходить у дифузійну область, контро- льовану внутрішнім або зовнішнім тепломасообміном. У першій частині цієї роботи [16] 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 в роботі [17] проведено широкі числові дослі- дження 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 енергія продуктів згоряння з температурою 1300 °C . У [18] вивчався вплив теплоємності частинок Wood Birch і внутрішнього джерела теплової енергії (тепловий ефект процесу терморозпаду в інтервалі температур 270 ≤ tp ≤ 450 °C на швидкість прогріву фіксованого шару біомаси. У [19] розглядався вплив конструктивних і теплових па- раметрів електронагрівачів внутрішньої та зовнішньої поверхні піролізера на процес швидкого піролізу. Аналі- зувався процес газифікації коксозольного залишку та чисельно досліджувався новий режим роботи піролі- зера з нерухомим шаром з низькими початковими пи- томими тепловими потоками, що падають на поверхні нагріву піролізера. П’яту частину цієї роботи присвячено моделюванню та числовому дослідженню процесу піролізу полідисперс- ного ансамблю частинок у висхідному високотемпера- турному потоці піролізного газу, що рециркулює. Опис роботи піролізної установки. На рис. 1 зображено схему установки піролізу полідисперсного ансамблю ча- стинок біомаси у висхідному високотемпературному потоці піролізного газу. Піролізний газ із газгольдера 16 надходить до теплообмінника 14, а потім до електрона- грівача 20 (рис. 1, a з [16]), де нагрівається до темпера- тури 800 С, після чого подається в ежектор 9 (див. рис. 1). Цей газ використовується як транспортувальний агент частинок біомаси, що надходять в ежектор з бун- кера 7 по лінії 10. Далі газодисперсний потік вводиться в розгінну ділянку труби діаметром Dпір1 = 0,2 м і висо- тою Hпір1 = 0,35 м, де відбувається прогрівання частинок біомаси за рахунок радіаційного та конвективного теп- лообміну частинок зі стінкою реактора і піролізним га- зом. Після розгінної ділянки прогріті частинки біомаси 191 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика надходять у перехідну розширювальну ділянку, яка зроблена у вигляді усіченого конуса висотою Hпір2 = 0,2 м зі змінним діаметром піролізера від Dпір1 = 0,2 м до Dпір2,II = 0,34 м (за α = 20; див. рис. 1), де відбувається вихід активної частини біомаси, яка згідно з моделлю [16] розпадається на первинний піролізний газ, char і смолу. На зазначеній ділянці спостерігається різке спо- вільнення газодисперсного потоку, внаслідок чого час перебування смоли в піролізері, необхідний для перет- ворення її на легкий (вторинний) газ відповідно до кре- кінгового процесу, різко зростає, що призводить до зна- чного зменшення висоти піролізера у порівняні з цилін- дричною конструкцією. Двофазний потік, подається в циклон, де відбувається відділення легкого газу від кок- созольного залишку. Останній подається в камеру зго- ряння 8, де відбувається його спалювання. Піролізні гази спрямовуються в систему гарячого очищення 27, потім надходять у теплообмінник 14, де відбувається конденсація вологи, після чого димососом 15 заганя- ються в газгольдер 16 (рис. 1, a з [16]). Рис. 1. Принципова схема піролізу біомаси у висхідному потоці: 1 − високотемпературний піролізний газ, що рециркулює; 2 – піролізер; 3 − циклон; 4 − вихід неочищеного піролізного газу; 5 − мигалка; 6 – частинки біомаси; 7 − бункер біомаси; 8 − камера згоряння; 9 − ежектор; 10 − лінія подачі біомаси до ежектора; 11 − лінія подачі газодисперсного потоку до циклону; 12 − подача біомаси до бункера (рис. 1 − це частина загальної схеми уста- новки, наведеної на рис. 1, a з [16]) Fig. 1. Schematic diagram of biomass pyrolysis in an upstream flow: 1 − recirculating high-temperature pyrolysis gas; 2 – pyrolyzers; 3 − cyclone; 4 − outlet of untreated pyrolysis gas; 5 − flasher valve; 6 – biomass particles; 7 − biomass hopper; 8 − combustion chamber; 9 − ejector; 10 − biomass feed line to the ejector; 11 − gas dispersion flow line to the cyclone; 12 − biomass feed to the hopper (Fig. 1 is a part of the general scheme of the plant shown in Fig. 1, a from [16]). Опис моделі піролізу частинок біомаси у висхідному по- тоці. Система диференціальних рівнянь, що описує аеро- динаміку, тепломасообмін і піроліз дрібнодисперсних частинок біомаси у висхідному високотемпературному потоці піролізного газу (див. рис. 1) у піролізері зі зміню- ваною геометрією (діаметра апарата) за ходом руху газо- дисперсної суміші, містить у собі рівняння нерозривності для активної частини біомаси, яка залишає частинку: dz V kkk dz fud iiiii iii konusout biomas321 pirbiomas out biomas βρ)( )βρ( ++−= , (1) пиролизного газу: dz V kk dz fud n i iii konus 1 tar4 out biomas1 pirgg ρβρ )ρ(       +=  = , (2) 192 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика cмоли: dz V kkk dz fud n i iii konus 1 tar54 out biomas2 pirgtar )ρ(βρ )ρ(       +−=  = , (3) вугільного залишку (char):   dz V kk dz fud iii ii konus tar5 out biomas3 pircharchar ρβρ )ρ( += , (4) рівняння збереження кількості руху частинок біомаси: dz V gF dz fud iii iii konus biomasbiomasa, pir 2 biomasbiomas )βρ( )βρ( −= (5) і піролізного газу: dz V F dz dP dz fud n i i g konus 1 biomasa, gpir 2 g )ρ(       +−=  = , (6) рівняння збереження енергії частинок біомаси:   dz V TTatt dz ftucd i i iii iiiii δ β6 )(σ)(α )βρ( konus4 biomas 4 wp0biomasgconv pirbiomasbiomasbiomasbiomas −+−= (7) і піролізного газу:  = −−−−= n i i i iiz dz V ttDtt dz ftucd 1 konus biomasgconvgwwconv, pirgggg δ β6 )(απ)(α )ρ(  = −++− n i iiiiiii dz V tctckkk 1 konus biomasbiomasgg out biomas321 )(βρ)( , (8) де )( 12 π 22 konus zzzzzz DDDD dz V ++ ++= , uchar = ug. (9) Інтегрування системи жорстких нелінійних диференціа- льних рівнянь (1)−(8) здійснювали виправленим мето- дом Ейлера з перерахунком за допомогою напівнеявної схеми, з автоматичним вибором кроку залежно від кіль- кості ітерацій, що потрібна для досягнення необхідної точності. Для подолання нелінійності в рівняннях (1)−(8), усунення фізично неправдоподібних результатів розрахунку й поліпшення збіжності та стійкості схеми апроксимації рівнянь (1)−(8), було отримано аналітичні вирази для швидкості газу:  = + + + −      −= m i i i z z z r zf VTR A A A A u 1 1 pir konus 1 gg 2 2 1 2 11 g μΔ 1000 22 (10) і температур фаз на кожному кроці інтегрування:        −               − −         − = + = ++ + + + + +  2/1z gg konus 1 2/1z2/1z g biomas2/1 conv, 2/1z gg 2/1z g w2/1 wconv, z g 1z g )( δ β6 1α )( 1αΔπ exp cB V t t cB t t zD tt n i i iiz i z z                −         −         −      ++ − ++ + ++ =  z z z z i i n i iiiii c c B B cB V t t cckkk g 1 g g 1 g 2/1z gg konus 2/1z g biomas biomasg 2/1z 1 out biomas321 lnln )( βρ)( . (11) −             +            −= ++ + ++ ++ 2/1z biomasbiomas konus 2/1z biomas 2/1z rad 2/1z2/1z biomas g2/1z conv z biomas 1z biomas )(δ β6 1αexp iiii i i iii cB V t Q t t tt 193 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика          −      − ++ z i z i z i z i c c B B biomas 1 biomas biomas 1 biomas lnln , (12) де konus 1 g2/1 biomasa,pir 2 g1 )ρ( V z P FfuA n i z z i z g          −−=  = + , konus 2/1 1 tar4 out biomas1pirgg2 ρβρ)ρ( VkkfuA z n i iii z + =       ++=  . (13) Розглянемо ще один спосіб апроксимації рівняння кіль- кості руху піролізного газу (6). Труднощі розрахунку поля швидкості несучого середовища пов’язані з неві- домим полем тиску. Градієнт тиску, що стоїть у правій частині рівняння (6) і є джерельним членом цього рівняння, не має при цьому явного рівняння для визна- чення величини Pg. Тут поле тиску визначається в такий спосіб. З рівняння нерозривності газу визначається щільність газу: ( )zz z z z z n i iii zz fufu fufu Vkk )()( )( ρ )( ρβρ ρρ pirg 1 pirg2/1 pirg 2/1 g 2/1 pirg konus 2/1 1 tar4 out biomas1 g 1 g −−       + += + + + + + =+  . (14) Оскільки ми розглядаємо течію стисливого газу, його тиск можна визначити з рівняння стану газової суміші:  = +++ = m i i izzz r TRP 1 1 gg 1 g 1 g μ ρ , (15) після чого необхідно розрахувати перепад тиску zz PPP g 1 ggΔ −= + . (16) Підставляючи обчислене значення ∆Pg у рівняння (17), отримане з дискретного аналога рівняння (6), визнача- ємо швидкість газу: 2/1 pirg konus 2/1 1 tar4 out biomas1 2/1 pirgg 1 konus 2/1 biomasa, 2/1 pirgg konusg g 1 g )ρ( ρβρ )ρ()ρ(Δ Δ + + = + = + + +       + −−−=  z z n i iii z n i z i z zz f Vkk fu VF fu V z P uu (17) і порівнюємо його зі значенням, отриманим на попередній ітерації. Значення 1 g +zu , отримане на першій ітерації, по- рівнюється зі значенням швидкості газу 1 предg, +zu , що визнача- ється з дискретного аналога рівняння (6) за умови ∆Pg = 0: 2/1 pirg konus 2/1 1 tar4 out biomas1 2/1 pirgg 1 konus 2/1 biomasa, предg, 1 предg, )ρ( ρβρ )ρ( + + = + = + +       + −−=  z z n i iii z n i z i zz f Vkk fu VF uu . (18) Таким чином, на кожному кроці інтегрування з використанням ітераційного процесу, що містить у собі рівняння (14)−(17) з урахуванням виразу (18), розрахо- вують значення 1 g +zu і 1 g +zP . Запропонований метод об- числення величин 1 g +zu і 1 g +zP є стійким і має гарну збі- жність ітераційних параметрів процесу. Постановка задачі. Обговоримо результати розрахунків піролізу полідисперсного ансамблю частинок біомаси у висхідному високотемпературному потоці піролізного газу в пілотній установці за таких початкових умов: Dпір1 = 0,2 м, Hпір1 = 0,35 м, ug0 = 6,2 м/с, tg = 800 С, tw = 950 С, Bbiomas0/Bg0 = 0,4. Об’ємні частки газових компонентів пі- ролізного газу (середовище, що несе): CO2 = 11,2 %, CO = 38,56 %, H2 = 26,9 %, C1,16H4 = 22,76 %, N2 = 0,32 % і C6H6,2O0,2 = 0,31 %. Витрати компонентів піролізного газу: Bg0 = 0,04571 кг/с, CO0B = 0,023874 кг/с, 0CO2 B = 0,010873 кг/с, 0H 2 B = 0,0011856 кг/с, 0HC 41,16 B = 0,009 кг/с, 0OHC 2,06,26 B = 0,00056 кг/с; ρp0 = 806,6 кг/м3 (на суху масу), ρg0 = 0,2348, Pg = 1 атм. Діаметри фракцій: δ01 = 0,9 мм, δ02 = 1 мм, δ03 = 0,95 мм. Витрати фракцій: Bp,frak10 = Bp,frak20 = Bp,frak30 = 0,00603349 кг/с. Температури фракцій: tbiomas10 = tbiomas20 = tbiomas30 = 30 С. Швидкості фракцій (швидкості витання): ubiomas10 = 1,142 м/с, ubiomas20 = 0,5 м/с, ubiomas30 = 0,82 м/с. Склад легкого 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 [17]. Константи швидкостей первинних реакцій – k1 – k3 і вторинних ре- акцій – k4 – k5 обчислюються згідно з (20) з [16]. Варіанти 1−3 відрізняються один від одного кутом нахилу 194 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика усіченого конуса (див. рис. 1): αI = 0, Dпір2,I = 0,2 м; αII = 20, Dпір2,II = 0,34 м, Hпір2,II = 0,2 м; αIII = 30, Dпір2,III = 0,34 м, Hпір2,III = 0,15 м і висотою піролізера: HпірI = 5 м, HпірII = 3,2 м і HпірIII = 3 м. Як паливо викорис- товувалася біомаса марки Bagasse, елементарний склад якої наведено в роботі [17]. Аналіз числових результатів. На розгінній ділянці 0 < z ≤ 0,35 м (див. рис. 1) відбувається прогрівання першої фракції частинок Bagasse до температури 226 °С, другої фракції – 340 °С і третьої фракції – 265 °С (рис. 2). На пе- рехідній розширювальній ділянці 0,35 < z ≤ 0,5−0,6 м температури другої, третьої та першої фракцій різко зростають і досягають максимальних значень за z = 0,4 м, z = 0,5 м та z = 0,6 м, відповідно (рис. 2, c). Це пов’язано з інтенсивним виходом активної частини бі- омаси з кожної фракції частинок Bagasse, внаслідок чого значення щільності починає різко зменшуватися і в точ- ках z = 0,4 м, z = 0,5 м, z = 0,6 м, де температури фракцій, що розглядаються, досягають максимальних значень, щільності активної частини біомаси, що виходить з час- тинок − out 1biomasρ = out 2biomasρ = out 3biomasρ = 0 (рис. 3, c). Змен- шення щільності частинок Bagasse призводить до різ- кого падіння витрати фракцій з 0,006 до 0,002 кг/с на ділянці 0,35 < z ≤ 0,65 м, при цьому швидкості полідис- персної фази зростають з 0,53−0,65 до 1,39−1,83 м/с (рис. 4, b і рис. 5, b), хоча швидкість газу на цій ділянці зменшується з 5,94 до 2 м/с (крива 2 на рис. 6, b). З ін- шого боку, убування щільності твердої фази прискорює зростання температури частинок Bagasse, що відбува- ється під впливом конвективного теплообміну між газом і частинками (рис. 7, d) і променистого теплооб- міну між стінкою піролізера і частинками (рис. 7, b). Пі- сля досягнення максимальної температури частинок δ02 = 1 мм в точці z = 0,45 м температурний напір tw − tbiomas2 наближається до нуля, внаслідок чого промени- ста складова теплообміну в цій точці також буде набли- жатися до нуля (крива 2 на рис. 7, b). Тут конвективна складова теплообміну на ділянці z > 0,4 м набуває від’ємних значень через tg < tbiomas2 (крива 2 на рис. 7, d). Температура середовища транспортування формується під впливом конвективного теплообміну між піроліз- ним газом і полідисперсним ансамблем частинок  = − n i i i ii dz V tt 1 konus biomasgconv δ β6 )(α (рис. 7, d), конвекти- вного теплообміну між огороджувальною поверхнею піролізера та піролізним газом zDtt π)(α gwwconv, − і передавання тепла від несучого потоку до активної час- тини біомаси, що вийшла з фракцій (див. (8)). На перехі- дній розширеній ділянці температура піролізного газу зменшується з 740 до 695 С через зростання перерізу піролізера в зоні (крива 2 на рис. 8, b). У зоні z > 0,4 м конвективна складова теплообміну стає від’ємною (tbiomas > tg) (крива 2 на рис. 7, b), і ентальпія середовища транспортування перевершує ентальпію активної час- тини біомаси, внаслідок чого значення tg починає зрос- тати (див. третій член рівняння (8)), тому швидкість газу на цій ділянці зростає. Крім того, вихід піролізного газу з частинок підвищує загальну витрату газової суміші, що також сприяє зростанню швидкості газу. Рис. 2. Розподіл температури полідисперсного ансамблю частинок за висотою піролізера для варіантів I (a), II (b) і III (c) залежно від діаметра, δ, мм: 1 – 0,9; 2 – 1; 3 – 0,95 Fig. 2. Temperature distribution of polydisperse particle ensemble over pyrolyzer height for variants I (a), II (b) and III (c) depending on the diameter, δ, mm: 1 – 0,9; 2 – 1; 3 – 0,95 195 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика Рис. 3. Розподіл щільності активної частини біомаси за висотою піролізера для варіантів I (a), II (b) і III (c) зале- жно від діаметра, δ, мм: 1 – 0,9; 2 – 1; 3 – 0,95 Fig, 3. Distribution of the biomass active part density over pyrolyzer height for variants I (a), II (b) and III (c) depending on the diameter, δ, mm: 1 – 0,9; 2 – 1; 3 – 0,95 Рис. 4. Розподіл швидкостей полідисперсного ансамблю частинок за висотою піролізера для варіантів I (a), II (b) і III (c) залежно від діаметра, δ, мм: 1 – 0,9; 2 – 1; 3 – 0,95 Fig. 4. Velocity distribution of the polydisperse particle ensemble over pyrolyzer height for variants I (a), II (b) and III (c) depending on the diameter, δ, mm: 1 – 0,9; 2 – 1; 3 – 0,95 Рис. 5. Розподіл витрат полідисперсного ансамблю частинок за висотою піролізера для варіантів I (a), II (b) і III (c) залежно від діаметра, δ, мм: 1 – 0,9; 2 – 1; 3 – 0,95 Fig. 5. Flow rate distribution of the polydisperse particle ensemble over pyrolyzer height for variants I (a), II (b) and III (c) depending on the diameter, δ, mm: 1 – 0,9; 2 – 1; 3 – 0,95 196 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика Рис. 6. Розподіл витрати смоли й швидкості піролізного газу за висотою піролізера для варіантів I (a), II (b) і III (c): 1 – Btar; 2 – ug Fig. 6. Distribution of tar (liquid phase) flow rate and pyrolysis gas velocity over pyrolyzer height for variants I (a), II (b) and III (c): 1 – Btar; 2 – ug Рис. 7. Розподіл радіаційного та конвективного тепла за висотою піролізера для варіантів I (a, с) і II (b, d) зале- жно від діаметра: 1 – 0,9; 2 – 1; 3 – 0,95 Fig. 7. Radiative and convective heat distribution over pyrolyzer height for variants I (a) and II (b, d) depending on the diameter: δ, mm: 1 – 0,9; 2 – 1; 3 – 0,95 197 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика Рис. 8. Розподіл теплотворної здатності й температури піролізного газу за висотою піролізера для варіантів I (a), II (b) і III (c): 1 – Qпір; 2 – tg Fig. 8. Distribution of calorific value and pyrolysis gas temperature over pyrolyzer height for the variants I (a), II (b) and III (c): 1 – Qпір; 2 – tg Як зазначалося раніше, ділянка розширення, де діаметр піролізера зростає від Dпір1,II = 0,2 м до Dпір2,II = 0,34 м, призначена для того, щоб підвищити час перебування смоли в піролізері, тим самим зменшити його висоту. У варіанті I розширювальна ділянка відсутня (αI = 0). В ін- тервалі 0,35 < z ≤ 0,8 м функція Btar(z) досягає максима- льного значення − 40,3 кг/год (крива 1 на рис. 6, a). Тут швидкість генерації смоли через первинні реакції розк- ладання активної частини біомаси превалює над диси- пативними процесами (крекінг смоли). У діапазоні 0,8 < z ≤ 5 м відбувається перетворення смоли на легкий газ за рахунок крекінг процесу. Тут швидкість виробництва легкого газу перевершує швидкість генера- ції смоли. За такої конструкції піролізера (αI = 0) не вда- ється повністю перетворити смолу на легкий газ. На ви- ході з піролізера залишається 8 кг/год смоли (крива 1 на рис. 6, a). На відміну від варіанта I, у варіанті II присутня розширювальна ділянка (αII = 20, тому тут відбувається практично повне перетворення смоли на легкий газ у ді- апазоні 0,35 < z ≤ 3,8 м (крива 1 на рис. 6, b). У такий спо- сіб вдається скоротити висоту піролізера на 1,2 м порів- няно з першим варіантом. У разі задання кута розширення αIII = 30 діапазон практично повного перет- ворення смоли на легкий газ звужується − 0,35 < z ≤ 3 м. На виході з піролізера залишається 0,93 кг/год смоли. Вихід піролізного газу з частинок біомаси незначно підви- щує витрати компонентів піролізного газу по висоті піро- лізера (рис. 9). На виході з піролізера в газі присутня не- значна кількість вологи: OH 2 B = 0,0025 кг/с і OH 2 r = 4,4 % (рис. 9, b; рис. 10, b). На рис. 11, a видно, що вихід первинного піролізного газу (варіант I) відбувається у два етапи, про що свід- чать два характерні піки кривих 1 і 2, які розташовані на відстані ∆z = 0,2 м один від одного. Значення піків CO2 і H2O в точці z = 0,4 м рівні і становлять 0,053 кг/(с·м3), а в точці z = 0,6 м − 0,0726 кг/(с·м3). Якщо відношення піків кривої 1 (або 2) у точках z = 0,4 м і z = 0,6 м дорівнює 1,37 (варіант I), то у варіанті II співвідношення максимальних значень кривої 1 (або 2) у точках z = 0,5 м і z = 0,4 м дорівнює 0,158. Якщо максимальні значення функції ICO2 G (z = 0,6 м) = 0,0726 кг/(с·м3) (рис. 11, a) і IICO2 G (z = 0,4 м) = 0,0888 кг/(с·м3) (рис. 11, b) близькі, то значення питомих витрат газових компонентів COG , 41,16HC G і 2HG і у ва- ріанті II значно більші, ніж у варіанті I: COIG (z = 0,6 м) = 0,044 < COIIG (z = 0,4 м) = 0,199 кг/(с·м3), IHC 41,16 G (z = 0,6 м) = 0,013 < IIHC 41,16 G (z = 0,4 м) = 0,069 кг/(с·м3) (рис. 11). Звідси випливає, що у варіанті II вихід первин- ного піролізного газу відбувається практично в один етап у точці z = 0,4 м. Поведінку кривих 1 і 2 (див. рис. 11) можна пояснити, виходячи з таких міркувань. У варіанті II вихід активної частини біомаси з трьох фракцій відбу- вається одночасно в точці z = 0,35 м (див. рис. 3, b) на початку зони розширення, де спостерігається різке галь- мування газодисперсного потоку (крива 2 на рис. 6, b; рис. 4, b). Перший максимум кривої 1 (або 2 на рис. 11, b) у точці z = 0,4 м формується за рахунок пов- ного виходу другої фракції частинок і часткових виходів першої й третьої фракцій. Другий максимум кривої 1 у точці z = 0,5 м пов’язаний з виходом решти третьої фра- кції. Третій пік у точці z = 0,6 м зумовлений виходом ре- шти першої фракції частинок. У варіанті I немає зони ро- зширення, тому виходи активної частини біомаси для 198 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика кожної фракції рознесені по висоті, про що свідчить рис. 3, a. Перший пік кривої 1 (або 2 на рис. 11, a) у точці z = 0,4 м зумовлений виходом другої фракції частинок, другий пік у точці z = 0,6 м − першої та третьої фракцій. Рис. 9. Розподіл витрат компонентів піролізного газу за висотою піролізера для варіантів I (a), II (b) і III (c): 1 – COB ; 2 – 2HB ; 3 – 2,06,26 OHC B ; 4 – 2COB ; 5 – 41,16HC B ; 6 – 2NB ; 7 – OH 2 B Fig. 9. Distribution of pyrolysis gas component flow rates over pyrolyzer height for variants I (a), II (b) and III (c): 1 – COB ; 2 – 2HB ; 3 – 2.06.26 OHCB ; 4 – 2COB ; 5 – 41.16HCB ; 6 – 2NB ; 7 – OH 2 B Рис. 10. Розподіл масових часток компонентів піролізного газу за висотою піролізера для варіантів I (a), II (b) і III (c): 1 – COr ; 2 – 2,06,26 OHC r ; 3 – 2COr ; 4 – 41,16HC r ; 5 – OH 2 r ; 6 – 2Hr Fig. 10. Mass fractions distribution of pyrolysis gas components over pyrolyzer height for variants I (a), II (b) и III (c): 1 – COr ; 2 – 2.06.26 OHCr ; 3 – 2COr ; 4 – 41.16HCr ; 5 – OH 2 r ; 6 – 2Hr 199 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика Рис. 11. Розподіл питомих витрат газових компонентів первинного піролізного газу за висотою піролізера для варіантів I (a) і II (b): 1 – OH2 G ; 2 – 2COG ; 3 – COG ; 4 – 41,16HC G ; 5 – 2HG ; 6 – 2NG Fig. 11. Distribution of specific flow rates of gas components of primary pyrolysis gas by pyrolyzer height for variants I (a) і II (b): 1 – OH2 G ; 2 – 2COG ; 3 – COG ; 4 – 41.16HCG ; 5 – 2HG ; 6 – 2NG Висновки. 1. Запропоновано оригінальний спосіб швидкого піро- лізу дрібнодисперсних частинок біомаси у висхідному високотемпературному потоці піролізного газу, що ре- циркулює. 2. На виході з піролізера отримують такий склад зміша- ного (первинний + вторинний) середньокалорійного пі- ролізного газу (в масових частках): CO2 = 21,23 %, CO = 51 %, H2 = 2,31 %, H2O = 4,41 %, C1,16H4 = 18,54 % і C6H6,2O0,2 = 2,1 % з теплотворною здатністю 18 383,2 кДж/нм3. 3. Отриманий середньокалорійний піролізний газ до- зволяє частково витіснити природний газ з малої енер- гетики та хімічної промисловості. Піролізний газ може бути використаний у когенераційних установках фірм Innio Jenbaher Gmbh (які закупає Україна) та Tessari, вза- мін природного газу. Це забезпечить істотну економію природного газу. 4. Побудовано модель піролізу полідисперсного ансам- блю частинок біомаси у висхідному високотемператур- ному потоці піролізного газу. Модель включає в себе про- менистий і конвективний теплообмін частинок зі стінкою піролізера і газом, теплообмін зі стінкою і піролізним га- зом, сили опору і тяжіння, кінетику реакцій термолізу: три паралельні реакції розкладання активної частини біо- маси на первинний піролізний газ, смолу та char і вто- ринні реакції перетворення смоли на легкий газ і char. 5. Виведено аналітичні вирази для швидкості газу, тем- ператур фаз, щільності й тиску газу, які можуть бути ви- користані на кожному кроці інтегрування системи рів- нянь, що описують процес піролізу у висхідному газодисперсному потоці. Розроблено ітераційний цикл, призначений для обчислення перепаду тиску піроліз- ного газу на кожному кроці інтегрування. 6. Розглядалися дві конструкції піролізера, що працю- ють у режимі пневмотранспорту. Перша з них являє со- бою циліндричну трубу діаметром 0,2 м, друга має пе- рехідну ділянку розширення, де діаметр піролізера зростає від Dпір1,III = 0,2 м до Dпір2,III = 0,34 м. Ця ділянка призначена для підвищення часу перебування смоли в піролізері. У першій конструкції процес крекінгу смоли відбувався на ділянці 0,8 < z ≤ 5 м. На виході з піролізера з 40,3 кг/год смоли залишалося 8 кг/год. У другій конс- трукції (αIII = 30) крекінг смоли відбувався на ділянці 0,35 < z ≤ 3 м і на виході з піролізера залишалося 0,93 кг/год, тобто 0,98 % від максимальної витрати смоли, що дало змогу скоротити висоту піролізера на 2 м порівняно з першою конструкцією. Подальше збіль- шення значення кута не є ефективним рішенням, тому оптимальний кут нахилу становить 20−30. Позначення a – ступінь чорноти; B − витрата, кг/год (кг/с); c – тепло- ємність, кДж/(кг·K); D –діаметр апарата, м; F – сила, Н/м3; f – переріз, м2; g – прискорення вільного падіння, м/с2; H – висота, м; k1 – k3 – константи швидкостей пер- винних реакцій, с–1; k4 – k5 – константи швидкостей вто- ринних реакцій, с–1; n – число фракцій; P – тиск, Н/м2; Q – теплотворна здатність, кДж/нм3 або тепловий потік, кДж/(с·м3); r − масова частка газових компонентів; Rg – універсальна газова стала, кДж/(кмоль·К)); T – темпера- тура, K; t – температура, С; u – швидкість, м/с; V – об’єм, м3; z – аксіальна координата, м; α – коефіцієнт конвек- тивного теплообміну, кДж/(с·м2·K) або кут нахилу, ; β – істинна об’ємна концентрація частинок; δ – діаметр ча- стинки, м; μ – молекулярна маса, кг/кмоль; ρ – щіль- ність, кг/м3; σ0 – константа Стефана-Больцмана, кДж/(с·м2·K4); ∆ – приріст функції. Індекси: a − сила аеро- динамічного опору частинки; biomas − біомаса; C6H6.2O0.2 − формула смоли; char − сажистий вуглець; conv − конвективний; g − газ; konus − конус; out − вихід; p − частинка; rad − променистий; tar − смола; w − стінка; пір – піролізер; пред − передцикловий; 0 – початкове значення параметра; I−III – варіанти розрахунку; 1 − ро- згінна ділянка; 2 − розширена ділянка; i = 1−3 номери фракцій. 200 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика ПОСИЛАННЯ 1. H. Ritchie, R. Max. Renewable Energy. 2020. Our- WorldInData.org. https://ourworldindata.org/renewa- ble-energy. 2. Energy Fact book 2021-2022. Ministry of Natural Re- sources. Canada, 2021. https://www.nrcan.gc.ca/sites/nrcan/files/energy/en- ergy_fact/2021-2022/PDF/2021_Energy-factbook_de- cember23_EN_accessible.pdf. 3. REN21, Renewables 2021 Global Status Report. REN21 Secretariat. Paris, 2021. https://www.ren21.net/wpcontent/up- loads/2019/05/GSR2021_Full_Report.pdf. 4. V. Singh, M. Zhao, P. S. Fennell, N. Shah, E. J. Anthony. Progress in biofuel production from gasification. Prog. Energy Combust. Sci. 2017. Vol. 61. Pp. 189–248. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.04.001. 5. Y. Sorunmu, P. Billen, S. Spatari. A review of thermo- chemical upgrading of pyrolysis bio-oil: technoeco- nomic analysis, life cycle assessment, and technology readiness. Glob. Chang. Energy Bioenergy. 2019. Pp. 1– 15. https://doi.org/10.1111/gcbb.12658. 6. D. Meier, B. B. Van De, A. V. Bridgwater, D. C. Elliott, A. Oasmaa, F. Preto. State-of-the-art of fast pyrolysis in IEA bioenergy member countries. Renew. Sust. Energ. Rev. 2013. Vol. 20. Pp. 619–641. https://doi.org/10.1016/j. rser.2012.11.061. 7. A. Hlavsova´, A. Corsaro, H. Raclavska´, D. Juchelkova´, H. Sˇkroba´nkova´, J. Frydrych. Syngas production from pyrolysis of nine composts obtained from nonhybrid and hybrid perennial grasses. Sci. World J. 2014. https://doi.org/10.1155/2014/723092. 8. B. Dai, W. Zhu, L. Mu, X. Guo, H. Qian, X. Liang, et al., Effect of the composition of biomass on the quality of syngas produced from thermochemical conversion based on thermochemical data prediction. Energy Fuel. 2019. Vol. 33. Pp. 5253–5262, https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b00106. 9. M. I. Jahirul, M. G. Rasul, A. A. Chowdhury, N. Ashwath. Biofuels production through biomass pyrolysis — a technological review. Energies. 2012. Pp. 4952–5001. https://doi.org/10.3390/en5124952. 10. J. N. Brown. Development of a lab-scale auger reactor for biomass fast pyrolysis and process optimization us- ing response surface methodology. PhD thesis. Iowa State University, 2009. 11. V. Lakshman, P. Brassard, L. Hamelin, V. Raghavan, S. Godbout. Pyrolysis of Miscanthus: developing the mass balance of a biorefinery through experimental tests in an auger reactor. Bioresour. Technol. Reports. 2021. Vol. 14. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2021.100687. 12. L. Tang, H. Huang. Plasma pyrolysis of biomass for pro- duction of syngas and carbon adsorbent. Energy Fuels. 2005. Vol. 19. Pp. 1174–1178. https://doi.org/10.1021/ef049835b. 13. R. Gautam, S. Shyam, B. R. Reddy, K. Govindaraju, R. Vinu. Microwave-assisted pyrolysis and analytical fast pyrolysis of macroalgae: product analysis and effect of heating mechanism. Sustain Energy Fuels. 2019. Vol. 3. Pp. 3009–3020. https://doi.org/10.1039/c9se00162j. 14. A. M. C. Janse, W. Prins, W.P.M. van Swaaij. Develop- ment of a small integrated pilot Plant for Flash Pyroly- sis of biomass. Dev. Thermochem. Biomass Convers. 1997. Pp. 368–377. https://doi.org/10.1007/978-94- 009-1559-6_29. 15. A. Raquel, E. Guedes, A. S. Luna, A. R. Torres. Operating parameters for bio-oil production in biomass pyrolysis: a review. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2017. Vol. 129. Pp. 134–149. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2017.11.019. 16. 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. 17. 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. 18. 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. 19. Рохман Б. Б., Кобзар С. Г. Конструктивні особливості дослідної установки та числові дослідження процесу термохімічної переробки біомаси. Ч. 4. Результати ро- зрахунків електронагрівачів та процесу газифікації ко- ксозольного залишку. 2025. № 1. С. 133−147. REFERENCES 1. H. Ritchie, R. Max. Renewable Energy. 2020. Our- WorldInData.org. https://ourworldindata.org/renewa- ble-energy. 2. Energy Fact book 2021-2022. Ministry of Natural Re- sources. Canada, 2021. https://www.nrcan.gc.ca/sites/nrcan/files/energy/en- ergy_fact/2021-2022/PDF/2021_Energy-factbook_de- cember23_EN_accessible.pdf. 3. REN21, Renewables 2021 Global Status Report. REN21 Secretariat. Paris, 2021. https://www.ren21.net/wpcontent/up- loads/2019/05/GSR2021_Full_Report.pdf. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.04.001 https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b00106 https://doi.org/10.3390/en5124952 https://doi.org/10.1007/978-94-009-1559-6_29 https://doi.org/10.1007/978-94-009-1559-6_29 https://doi.org/10.1016/j.jaap.2017.11.019 201 Відновлювана енергетика. № 2/2025 \| Біоенергетика 1. V. Singh, M. Zhao, P.S. Fennell, N. Shah, E. J. Anthony. Progress in biofuel production from gasification. Prog. Energy Combust. Sci. 2017. Vol. 61. Pp. 189–248. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.04.001.5. Y. So- runmu, P. Billen, S. Spatari. A review of thermochemical upgrading of pyrolysis bio-oil: technoeconomic analysis, life cycle assessment, and technology readiness. Glob. Chang. Energy Bioenergy. 2019. Pp. 1–15. https://doi.org/10.1111/gcbb.12658. 4. D. Meier, B. B. Van De, A. V. Bridgwater, D. C. Elliott, A. Oasmaa, F. Preto. State-of-the-art of fast pyrolysis in IEA bioenergy member countries. Renew. Sust. Energ. Rev. 2013. Vol. 20. Pp. 619–641. https://doi.org/10.1016/j. rser.2012.11.061. 5. A. Hlavsova´, A. Corsaro, H. Raclavska´, D. Juchelkova´, H. Sˇkroba´nkova´, J. Frydrych. Syngas production from pyrolysis of nine composts obtained from nonhybrid and hybrid perennial grasses. Sci. World J. 2014. https://doi.org/10.1155/2014/723092. 6. B. Dai, W. Zhu, L. Mu, X. Guo, H. Qian, X. Liang, et al., Effect of the composition of biomass on the quality of syngas produced from thermochemical conversion based on thermochemical data prediction. Energy Fuel. 2019. Vol. 33. Pp. 5253–5262, https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b00106. 7. M. I. Jahirul, M. G. Rasul, A. A. Chowdhury, N. Ashwath. Biofuels production through biomass pyrolysis — a technological review. Energies. 2012. Pp. 4952–5001. https://doi.org/10.3390/en5124952. 8. J. N. Brown. Development of a lab-scale auger reactor for biomass fast pyrolysis and process optimization us- ing response surface methodology. PhD thesis. Iowa State University, 2009. 9. V. Lakshman, P. Brassard, L. Hamelin, V. Raghavan, S. Godbout. Pyrolysis of Miscanthus: developing the mass balance of a biorefinery through experimental tests in an auger reactor // Bioresour. Technol. Reports. 2021. Vol. 14. https://doi.org/10.1016/j.biteb.2021.100687. 10. L. Tang, H. Huang. Plasma pyrolysis of biomass for pro- duction of syngas and carbon adsorbent. Energy Fuels. 2005. Vol. 19. Pp. 1174–1178. https://doi.org/10.1021/ef049835b. 11. R. Gautam, S. Shyam, B. R. Reddy, K. Govindaraju, R. Vinu. Microwave-assisted pyrolysis and analytical fast pyrolysis of macroalgae: product analysis and ef- fect of heating mechanism. Sustain Energy Fuels. 2019. Vol. 3. Pp. 3009–3020. https://doi.org/10.1039/c9se00162j. 12. A. M. C. Janse, W. Prins, W. P. M. van Swaaij. Develop- ment of a small integrated pilot Plant for Flash Pyroly- sis of biomass. Dev. Thermochem. Biomass Convers. 1997. Pp. 368–377. https://doi.org/10.1007/978-94- 009-1559-6_29. 13. A. Raquel, E. Guedes, A. S. Luna, A. R. Torres. Operat- ing parameters for bio-oil production in biomass py- rolysis: a review. J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2017. Vol. 129. Pp. 134–149. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2017.11.019. 14. Rokhman, B., Kobzar, S. Design features of the experi- mental unit and numerical studies of biomass thermo- chemical processing. Part. 1. Description of the reactor and modeling of the workflow. Vidnovluvana ener- getika. 2024. № 2. P. 123−136. 15. Rokhman, B., Kobzar, S. Design features of the experi- mental unit and numerical studies of biomass thermo- chemical processing. Part. 2. Analysis of the pyrolysis process in a fixed bed apparatus. Vidnovluvana ener- getika. 2024. № 3. P. 153–165. 16. Rokhman, B., Kobzar, S. Design features of the experi- mental unit and numerical studies of biomass thermo- chemical processing. Part. 3. Тhe influence of heat ca- pacity and thermal decay effect on the heating rate of Wood Birch particle bed. Vidnovluvana energetika. 2024. № 4. P. 119–134. 17. Rokhman, B., Kobzar, S. Design features of the experi- mental unit and numerical studies of biomass thermo- chemical processing. Part. 4. Calculations results of electric heaters and coke ash residue gasification. Vid- novluvana energetika 2025. № 1. P. 133–147. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2017.04.001 https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b00106 https://doi.org/10.3390/en5124952 https://doi.org/10.1007/978-94-009-1559-6_29 https://doi.org/10.1007/978-94-009-1559-6_29 https://doi.org/10.1016/j.jaap.2017.11.019 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-540
institution	Vidnovluvana energetika
keywords_txt_mv	keywords
language	Ukrainian
last_indexed	2026-07-19T01:16:13Z
publishDate	2025
publisher	Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
record_format	ojs
resource_txt_mv	veorgua/9d/9b7c1f89b2a8d03243717e6161b69f9d.pdf
spelling	veorgua-article-5402026-07-18T06:32:22Z DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 5 PYROLYSIS OF FINE BIOMASS PARTICLES IN AN UPWARD FLOW КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ ЧАСТИНА 5 ПІРОЛІЗ ДРІБНОДИСПЕРСНИХ ЧАСТИНОК БІОМАСИ У ВИСХІДНОМУ ПОТОЦІ Rokhman , B. Kobzar , S. Chetveryk , H. upward flow, biomass, Bagasse, pyrolysis, conductive, radiant, heat exchange, gas, temperature. висхідний потік, біомаса, Bagasse, піроліз, кондуктивний, радіаційний, теплообмін, газ, температура. A model of polydisperse ensemble of biomass particles pyrolysis in an upward high-temperature flow of pyrolysis gas is constructed. The model includes radiant and convective heat exchange of particles with the pyrolyzer wall and gas, heat exchange with the wall and pyrolysis gas, drag and gravity forces, kinetics of thermolysis reactions: three parallel reactions of decomposition of the active part of biomass into primary pyrolysis gas, tar and char and secondary reactions of tar transformation into light gas and char. Analytical expressions for gas velocity, phase temperatures, gas density and pressure are derived, which can be used at each step of integration of the system of equations describing the pyrolysis process in an upward gas-disperse flow. An iterative cycle designed to calculate the pressure drop of pyrolysis gas at each step of integration has been developed. Using the model, numerical studies of the pyrolysis process of three Bagasse particles fractions with diameters of 0,9 mm, 0,95 mm and 1 mm were carried out in a plant with a biomass throughput of 66 kg/h in the medium of recirculating dry pyrolysis gas in the amount of 164,6 kg/h. This provided detailed information on the design and physico-chemical process parameters required for the development of the design documentation of the pyrolyzer. Two pyrolyzer designs were considered: cylindrical with a diameter of 200 mm and a height of 5 m, and with an expanding cone: inlet diameter 200 mm, outlet diameter 340 mm. The expanding cone was made in order to increase the particles and gas residence time in the pyrolyzer required for complete tar cracking. This made it possible to reduce the height of the pyrolyzer by 2 m compared to the cylindrical design. Побудовано модель піролізу полідисперсного ансамблю частинок біомаси у висхідному високотемпературному потоці піролізного газу. Модель включає в себе променистий і конвективний теплообмін частинок зі стінкою піролізера і газом, теплообмін зі стінкою і піролізним газом, силу опору і силу тяжіння, кінетику реакцій термолізу: три паралельні реакції розкладання активної частини біомаси на первинний піролізний газ, смолу та char і вторинні реакції перетворення смоли на легкий газ і char. Виведено аналітичні вирази для швидкості газу, температур фаз, щільності й тиску газу, які можуть бути використані на кожному кроці інтегрування системи рівнянь, що описують процес піролізу. Розроблено ітераційний цикл, призначений для обчислення перепаду тиску піролізного газу на кожному кроці інтегрування. З використанням моделі проведено числові дослідження процесу піролізу трьох фракцій частинок Bagasse діаметрами 0,9 мм, 0,95 мм і 1 мм в установці, продуктивність за біомасою 66 кг/год у середовищі піролізного газу в кількості 164,6 кг/год. Це дало змогу отримати детальну інформацію щодо конструктивних і фізико-хімічних параметрів процесу, необхідних для розроблення конструкторської документації піролізера. Розглядалися дві конструкції піролізера: циліндрична діаметром 200 мм і заввишки 5 м; з розширюваним конусом − вхідний діаметр 200 мм, вихідний діаметр 340 мм. Конус, що розширюється, був зроблений для того, щоб підвищити час перебування частинок і газу в піролізері, необхідний для повного крекінгу смоли. Це дало можливість зменшити висоту піролізера на 2 м порівняно з циліндричною конструкцією. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2025-06-30 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/540 10.36296/1819-8058.2025.2(81).188-201 Vidnovluvana energetika ; No. 2(81) (2025): Scientific and applied Journal renewable energy ; 188-201 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 2(81) (2025): Scientific and applied Journal renewable energy ; 188-201 Відновлювана енергетика; № 2(81) (2025): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 188-201 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2025.2(81) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/540/448 Copyright (c) 2025 B. Rokhman , S. Kobzar , H. Chetveryk https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0
spellingShingle	upward flow biomass Bagasse pyrolysis conductive radiant heat exchange gas temperature. Rokhman , B. Kobzar , S. Chetveryk , H. DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 5 PYROLYSIS OF FINE BIOMASS PARTICLES IN AN UPWARD FLOW
title	DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 5 PYROLYSIS OF FINE BIOMASS PARTICLES IN AN UPWARD FLOW
title_alt	КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ ДОСЛІДНОЇ УСТАНОВКИ ТА ЧИСЛОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ТЕРМОХІМІЧНОЇ ПЕРЕРОБКИ БІОМАСИ ЧАСТИНА 5 ПІРОЛІЗ ДРІБНОДИСПЕРСНИХ ЧАСТИНОК БІОМАСИ У ВИСХІДНОМУ ПОТОЦІ
title_full	DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 5 PYROLYSIS OF FINE BIOMASS PARTICLES IN AN UPWARD FLOW
title_fullStr	DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 5 PYROLYSIS OF FINE BIOMASS PARTICLES IN AN UPWARD FLOW
title_full_unstemmed	DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 5 PYROLYSIS OF FINE BIOMASS PARTICLES IN AN UPWARD FLOW
title_short	DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 5 PYROLYSIS OF FINE BIOMASS PARTICLES IN AN UPWARD FLOW
title_sort	design features of the experimental unit and numerical studies of biomass thermochemical processing part 5 pyrolysis of fine biomass particles in an upward flow
topic	upward flow biomass Bagasse pyrolysis conductive radiant heat exchange gas temperature.
topic_facet	upward flow biomass Bagasse pyrolysis conductive radiant heat exchange gas temperature. висхідний потік біомаса Bagasse піроліз кондуктивний радіаційний теплообмін газ температура.
url	https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/540
work_keys_str_mv	AT rokhmanb designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbiomassthermochemicalprocessingpart5pyrolysisoffinebiomassparticlesinanupwardflow AT kobzars designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbiomassthermochemicalprocessingpart5pyrolysisoffinebiomassparticlesinanupwardflow AT chetverykh designfeaturesoftheexperimentalunitandnumericalstudiesofbiomassthermochemicalprocessingpart5pyrolysisoffinebiomassparticlesinanupwardflow AT rokhmanb konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina5pírolízdríbnodispersnihčastinokbíomasiuvishídnomupotocí AT kobzars konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina5pírolízdríbnodispersnihčastinokbíomasiuvishídnomupotocí AT chetverykh konstruktivníosoblivostídoslídnoíustanovkitačislovídoslídžennâprocesutermohímíčnoípererobkibíomasičastina5pírolízdríbnodispersnihčastinokbíomasiuvishídnomupotocí

DESIGN FEATURES OF THE EXPERIMENTAL UNIT AND NUMERICAL STUDIES OF BIOMASS THERMOCHEMICAL PROCESSING PART 5 PYROLYSIS OF FINE BIOMASS PARTICLES IN AN UPWARD FLOW

Репозитарії

Схожі ресурси