probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2020-22-5-83-93probener-1449Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGМатематическое моделирование термического разложения смолистых веществ в процессе обращенной газифи кации растительной биомассыMathematical modeling of thermal decomposition of resins in the process of reversed gasification of plant biomasshttps://orcid.org/0000-0003-2309-8461ДонскойИ. Г.DonskoyI. G.

Донской Игорь Геннадьевич – канд. техн. наук, старший научный сотрудник

г. Иркутск

Igor G. Donskoy – Senior Researcher

Irkutsk

donskoy.chem@mail.ruИСЭМ СО РАНРоссияMelentiev Energy Systems Institute of Siberian Branch of Russian Academy of SciencesRussian Federation2020241220202258393Copyright © Донской И.Г., 20202020Донской И.Г.Donskoy I.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/1449

ЦЕЛЬ. Оценка условия достаточно глубокого термического разложения смолистых веществ, образующихся при слоевой газификации древе сного топлива. МЕТОДЫ. Для этого применяются математические модели в разных постановках: разложение смолы рассматривается в приближениях одно - и двухреакционной кинетической схемы; для оценки влияния размеров слоя и температуры используется уравнение конве кции-диффузии-реакции с заданным распределением температуры по длине реакционной зоны; температура процесса газификации оценивается из экспериментальных данных и термодинамических расчетов. Наряду с численной моделью разложения смолы применена упрощенная а налитическая формула (для больших чисел Пекле), определены границы ее применимости. РЕЗУЛЬТАТЫ. Эффективность процесса воздушной газификации древесины определяется температурным уровнем окислительной стадии: в области режимов, в которых достигается оптимальные значения эффективности, конверсия смолистых продуктов не протекает достаточно полно из -за кинетических ограничений; повышение удельного расхода окислителя приводит к снижению эффективности из -за стехиометрических причин. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Физико-химические ограничения не позволяют достичь предельных значений эффективности газификации, смещая оптимальные режимы в сторону увеличения удельных расходов воздуха; снижение выхода смолы требует, в первую очередь, изменения термических режимов газификации (например, внешнего нагрева или по вышения концентрации кислорода) .

THE PURPOSE. Of this work is to estimate parameters for a sufficiently comlete thermal decomposition of tarry products of the fixed-bed gasification of wood fuel. METHODS. To this end, mathematical models are used in different statements: the decomposition of the tar is considered in the approximations of one- and two-reaction kinetic scheme; to assess the influence of the bed height and temperature, the convection-diffusionreaction equation with a given temperature distribution along the length of the reaction zone is used; the temperature of the gasification process is estimated from experimental data and thermodynamic calculations. Along with the numerical model of the decomposition of the tar, a simplified analytical expression (for large Peclet numbers) is applied, the limits of its applicability are determined. RESULTS. Of calculations show that the efficiency of the airblown gasification of wood is determined by the temperature level of the oxidation stage: in the range of modes in which the optimal values of efficiency are achieved, the conversion of tarry products does not proceed sufficiently completely due to kinetic limitations; an increase in the specific consumption of the oxidizer leads to a decrease in efficiency due to stoichiometric reasons. CONCLUSION. Physicochemical limitations do not allow reaching the limiting values of gasification efficiency, shifting the optimal modes towards increasing the specific air consumption; a decrease in the yield of tar requires, first of all, changes in the thermal modes of gasification (for example, external heating or an increase in the oxygen concentration).

газификациясмолакинетика разложенияматематическое моделированиетермодинамическое моделированиеgasificationtardecomposition kineticsmathematical modellingthermodynamic modelingРабота выполнена в ИСЭМ СО РАН в рамках научного проекта III.17.1.2 Программы фундаментальных исследований СО РАН (рег. № АААА -А17117030310448-0). Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Высокотемпературный контур» ИСЭМ СО РАН.The work is performed as a part of scientific project III.17.1.2 of Fundamental Research Program of Siberian Branch of Russian Academy of Scinces (reg. No. АААА-А17-117030310448-0) using equipment of the multi -access scientific center "High Temperature Circuit".ReferencesSansaniwal S.K., Pal K., Rosen M.A., et al. Recent advances in the development of biomass gasification technology: A comprehensive review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. V. 72. pp. 363-384.Sansaniwal SK, Pal K, Rosen MA, et al. Recent advances in the development of biomass gasification techn ology: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews . 2017;72:363-84. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.038 .Marchenko O.V., Solomin S.V., Kozlov A.N., et al. Use of gasifier-based electric power stations for improving the economy of autonomous power supply systems in Russia // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1565. N12077.Marchenko OV, Solomin SV, Kozlov AN, et al. Use of gasifier-based electric power stations for improving the economy of autonomous p ower supply systems in Russia . Journal of Physics: Conference Series. 2020;1565:012077. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1565/1/012077.Reed T.B., Das A. Handbook of biomass downdraft gasifier engine systems. The Biomass Energy Foundation Press, 1998. 148 p.Reed TB, Das A. Handbook of biomass downdraft gasifier engin e systems. The Biomass Energy Foundation Press, 1998. 148 p.Heidenreich S., Foscolo P.U. New concepts in biomass gasification // Progress in Energy and Combustion Science. 2015. V. 46. pp. 72-95.Heidenreich S , Foscolo PU. New concepts in biomass gasification . Progress in Energy and Combustion Science. 2015;46:72-95. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2014.06.002 .Донской И.Г. Математическое моделирование газификации древесины смолистых продуктов на частицах активных компонен тов // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2018. Т. 20. № 11-12. С. 107-117.Donskoy IG. Mathematical modelling of wood gasification with tarry products decomposition on active material particles // Power Engineering: Research, Equipment, Technology. 2018;20(11-12):107-17. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2018-20-11-12-107-117.Liu W. Linear reaction-convection -diffusion equation // Elementary feedback stabilization of the linear reaction-convection-diffusion equation and the wave equation. Berlin, Heidelberg: Springer, 2010. pp. 119-214.Liu W. Linear reaction-convection-diffusion equation. Elementary feedback stabilization of the linear reaction-convection-diffusion equation and the wave equation. Berlin, Heidelberg: Springer, 2010. pp. 119-214. https://doi.org/10.1007/978-3-642-04613-1_4.Франк-Каменецкий Д.А. Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике: монография. Долгопрудный : Издательский дом "Интеллект", 2008. 408 с.Frank-Kamenetskii DA. Diffusion and Heat Exchange in Chemical Kinetics. monograph. … Princeton Univ. Press, 2008. 408 p.Clavin P. Dynamic behavior of premixe d flame fronts in laminar and turbulent flows // Progress in energy and combustion science. 1985. V. 11. P. 1 -59.Clavin P. Dynamic behavior of premixed flame fronts in laminar and turbulent flows. Progress in energy and combustion science. 1985;11;1-59. https://doi.org/10.1016/0360-1285(85)90012-7.Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М .: Энергоатомиздат, 1984. 152 с.Patankar SV. Numerical heat transfer and fluid flow. NY: Taylor&Francis, 1980. 196 p.Kozlov A., Svishchev D., Donskoy I., et al. Impact of gas-phase chemistry on the composition of biomass pyrolysis products // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2015. V. 122 , N3. pp. 1089-1098.Kozlov A, Svishchev D, Donskoy I, et al. Impact of gas-phase chemistry on the composition of biomass pyrolysis products // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2015;122(3):1089-98. https://doi.org/10.1007/s10973-015-4951-z.Bai Z., Nakatsuka N., Hayashi J., et al. Study on inverse diffusion flame formed in combustion field of woody biomass gasification gas // Proceedings of Grand Renewable Energy 2018 (June 17 -22, 2018, Yokohama, Japan). Paper O -Bc-1-4.Bai Z, Nakatsuka N, Hayashi J, et al. Study on inverse diffusion flame formed in combustion field of woody biomass gasification gas. Proceedings of Grand Renewable Energy 2018 (June 17-22, 2018, Yokohama, Japan). pp. O-Bc-1-4. https://doi.org/10.24752/gre.1.0_203.Jayah T.H., Aye L., Fuller R.J., et al. Computer simulation of a downdraft wood gasifier for tea drying // Biomass and Bioenergy. 2003. V. 25, N4. pp. 459-469.Jayah TH, Aye L, Fuller RJ, et al. Computer simulation of a downdraft wood gasifier for tea drying. Biomass and Bioenergy. 2003;25(4):459-69. https://doi.org/10.1016/S0961-9534(03)00037-0.Салганский Е.А., Полианчик Е.В., Манелис Г.Б. Моделирование фильтрационного горения твердого пиролизующегося топлива // Физика горе ния и взрыва. 2013. Т. 49. № 1. С. 45 -61. https://www.sibran.ru/journals/issue.php?ID=148139&ARTICLE_ID=148144 .Salganskii EA, Polianchik EV, Manelis GB. Modeling filtration combustion of a pyrolyzing solid fuel. Combust Explos Shock Waves. 2013;49:38-52. https://doi.org/10.1134/S001050821301005X.Кейко А.В., Свищев Д.А., Козлов А.Н. Газификация низкосортного твердого топлива: уровень и направления развития технологий. Иркутск : ИСЭМ СО РАН, 2007. 66 с.Keiko АV, Svishchev DA, Kozlov AN. Gasification of low-grade fuels: state of the art a nd perspectives of technologies . Irkutsk: MESI SB RAS, 2007. 66 p.Babu B.V., Sheth P.N. Modeling and simulation of reduction zone of downdraft biomass gasifier: Effect of char reactivity factor // Energy Conversion and Management. 2006. V. 47. pp. 2602-2611.Babu BV, Sheth P N. Modeling and simulation of reduction zone of downdraft biomass gasifier: Effect of char reactivity factor . Energy Conversion and Management . 2006;47:2602-11. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2005.10.032 .Svishchev D.A., Kozlov A.N., Donskoy I.G., et al. A semi-empirical approach to the thermodynamic analysis of downdraft gasification // Fuel. 2016. V. 168. pp. 91-106.Svishchev DA, Kozlov AN, Donskoy IG, et al. A semi-empirical approach to the thermodynamic analysis of downdraft gasification . Fuel. 2016;168:91-106. http://dx.doi.org/10.1016/j.fuel.2015.11.066 .Svishchev D.A., Kozlov A.N., Penzik M.V. Unstratified Downdraft Gasification: Conditions for Pyrolysis Zone Existence // Energy Procedia. 2019. V. 158. pp 649-654.Svishchev DA, Kozlov AN, Penzik M V. Unstratified Downdraft Gasification: Conditio ns for Pyrolysis Zone Existence. Energy Procedia. 2019;158:649-54. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.177 .

The authors declare that there are no conflicts of interest present.