Визначення параметрів процесу газифікації вуглецевмісних матеріалів у барабані-охолоджувачі обертової печі

Автор(и)

  • Anton Karvatskii Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0003-2421-4700
  • Taras Lazariev Державне Підприємство "Конструкторське Бюро "Південне" ім. М. К. Янгеля" вул. Криворізька, 3, м. Дніпро, Україна, 49008, Україна https://orcid.org/0000-0002-7791-3575
  • Serhii Leleka Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0002-4372-9454
  • Ihor Mikulionok Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0001-8268-7229
  • Olena Ivanenko Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056, Україна https://orcid.org/0000-0001-6838-5400

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.210767

Ключові слова:

обертова піч, барабан-охолоджувач, вулецевмісний матеріал, термооброблення, газифікація, синтез-газ, числове моделювання

Анотація

Проведено оцінку доцільності застосування діючого обладнання барабана-охолоджувача обертової печі для термооброблення вуглецевмісного наповнювача для одержання синтез-газу з використанням відходів виробництва у вигляді пилової фракції термообробленого нафтового коксу або антрациту. Сформульовано математичну модель процесу газифікації частинок вуглецю в континуально-дискретній постановці, що включає тринадцять глобальних реакцій, з яких чотири – гетерогенні і дев’ять – гомогенні. Розроблено числову модель газифікації пилової фракції вуглецевмісного наповнювача в барабані-охолоджувачі обертової печі у вісесиметричному формулюванні. Досліджено збіжність числового розв’язку задачі газифікації за кроком сітки. Встановлено, що розрахункова сітка, яка включає 73620 комірок і 75202 вузлів, призводить до похибки визначення основних параметрів моделі не більше 1–2 %. Виконано верифікацію розробленої числової моделі. Встановлено, що різниця між молярними частками СО і Н2, значення яких одержано за різних програмних продуктів (Fluent, CEA NASA), перебуває в межах (2,8…5,8) %. З використанням розробленої числової моделі процесу газифікації вуглецевмісного наповнювача в барабані-охолоджувачі обертової печі визначено кількісний склад горючих компонентів синтетичного газу за різних вихідних параметрів. Встановлено, що за умови співвідношення О2/С=(42,7…51,6) % прогнозований кількісний склад горючих газів синтез-газу в молярних частках складає: СО=(32,8…36,9) %, Н2=(17,1…18,4) % і СН4=(0,03…0,16) %. Показано можливість застосування програми CEA NASA, призначену для оперативних розрахунків рівноважної хімії, для інженерних розрахунків матеріального складу синтез-газу промислового пічного обладнання

Біографії авторів

Anton Karvatskii, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Доктор технічних наук, професор, старший науковий співробітник

Кафедра хімічного, полімерного та силікатного машинобудування

Taras Lazariev, Державне Підприємство "Конструкторське Бюро "Південне" ім. М. К. Янгеля" вул. Криворізька, 3, м. Дніпро, Україна, 49008

Кандидат технічних наук, провідний науковий співробітник

Serhii Leleka, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Науково-дослідний центр «Ресурсозберігаючі технології»

Ihor Mikulionok, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Доктор технічних наук, професор, старший науковий співробітник

Кафедра хімічного, полімерного та силікатного машинобудування

Olena Ivanenko, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» пр. Перемоги, 37, м. Київ, Україна, 03056

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра екології та технології рослинних полімерів

Посилання

  1. Liu, X. J., Zhang, W. R., Park, T. J. (2001). Modelling coal gasification in an entrained flow gasifier. Combustion Theory and Modelling, 5 (4), 595–608. doi: https://doi.org/10.1088/1364-7830/5/4/305
  2. Choi, Y. C., Li, X. Y., Park, T. J., Kim, J. H., Lee, J. G. (2001). Numerical study on the coal gasification characteristics in an entrained flow coal gasifier. Fuel, 80 (15), 2193–2201. doi: https://doi.org/10.1016/s0016-2361(01)00101-6
  3. Shi, S.-P., Zitney, S. E., Shahnam, M., Syamlal, M., Rogers, W. A. (2006). Modelling coal gasification with CFD and discrete phase method. Journal of the Energy Institute, 79 (4), 217–221. doi: https://doi.org/10.1179/174602206x148865
  4. Watanabe, H., Otaka, M. (2006). Numerical simulation of coal gasification in entrained flow coal gasifier. Fuel, 85 (12-13), 1935–1943. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2006.02.002
  5. Wu, Y., Zhang, J., Smith, P. J., Zhang, H., Reid, C., Lv, J., Yue, G. (2010). Three-Dimensional Simulation for an Entrained Flow Coal Slurry Gasifier. Energy & Fuels, 24 (2), 1156–1163. doi: https://doi.org/10.1021/ef901085b
  6. Liu, H., Cattolica, R. J., Seiser, R. (2017). Operating parameter effects on the solids circulation rate in the CFD simulation of a dual fluidized-bed gasification system. Chemical Engineering Science, 169, 235–245. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2016.11.040
  7. Zhang, Y., Lei, F., Xiao, Y. (2015). Computational fluid dynamics simulation and parametric study of coal gasification in a circulating fluidized bed reactor. Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering, 10 (2), 307–317. doi: https://doi.org/10.1002/apj.1878
  8. Zhong, W., Yu, A., Zhou, G., Xie, J., Zhang, H. (2016). CFD simulation of dense particulate reaction system: Approaches, recent advances and applications. Chemical Engineering Science, 140, 16–43. doi: https://doi.org/10.1016/j.ces.2015.09.035
  9. Wu, Y., Liu, D., Ma, J., Chen, X. (2017). Three-Dimensional Eulerian–Eulerian Simulation of Coal Combustion under Air Atmosphere in a Circulating Fluidized Bed Combustor. Energy & Fuels, 31 (8), 7952–7966. doi: https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b01084
  10. Sharma, V., Agarwal, V. K. (2019). Numerical simulation of coal gasification in a circulating fluidized bed gasifier. Brazilian Journal of Chemical Engineering, 36 (3), 1289–1301. doi: https://doi.org/10.1590/0104-6632.20190363s20180423
  11. Peng, L., Wu, Y., Wang, C., Gao, J., Lan, X. (2016). 2.5D CFD simulations of gas–solids flow in cylindrical CFB risers. Powder Technology, 291, 229–243. doi: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.12.018
  12. Chui, E. H., Majeski, A. J., Lu, D. Y., Hughes, R., Gao, H., McCalden, D. J., Anthony, E. J. (2009). Simulation of entrained flow coal gasification. Energy Procedia, 1 (1), 503–509. doi: https://doi.org/10.1016/j.egypro.2009.01.067
  13. Panov, E. N., Karvatskii, A. Y., Shilovich, T. B., Lazarev, T. B., Moroz, A. S. (2014). Mathematical Model of Solid-Fuel Gasification in a Fluidized Bed. Chemical and Petroleum Engineering, 50 (5-6), 312–322. doi: https://doi.org/10.1007/s10556-014-9900-3
  14. Anetor, L., Osakue, E., Odetunde, C. (2012). Reduced Mechanism Approach of Modeling Premixed Propane-Air Mixture Using ANSYS Fluent. Engineering Journal, 16 (1), 67–86. doi: https://doi.org/10.4186/ej.2012.16.1.67
  15. Gri mech 3.0 chemkin. Available at: http://combustion.berkeley.edu/gri-mech/version30/files30/grimech30.dat
  16. Cantera is an open-source suite of tools for problems involving chemical kinetics, thermodynamics, and transport processes. Available at: https://cantera.org/
  17. Slavinskaya, N., Braun-Unkhoff, M., Frank, P. (2008). Reduced Reaction Mechanisms for Methane and Syngas Combustion in Gas Turbines. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 130 (2). doi: https://doi.org/10.1115/1.2719258
  18. ANSYS. Available at: https://www.ansys.com/
  19. MFIX. Available at: https://mfix.netl.doe.gov/
  20. McBride, B. J., Gordon, S. (1996). Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications II. Users Manual and Program Description. NASA RP 1311. National Aeronautics and Space Administration.
  21. Chalyh, E. F. (1972). Tehnologiya i oborudovanie elektrodnyh i elektrougol'nyh predpriyatiy. Moscow: Metallurgiya, 432.
  22. Westbrook, C. K., Dryer, F. L. (1981). Simplified Reaction Mechanisms for the Oxidation of Hydrocarbon Fuels in Flames. Combustion Science and Technology, 27 (1-2), 31–43. doi: https://doi.org/10.1080/00102208108946970
  23. Tahir, F., Ali, H., Baloch, A. A. B., Jamil, Y. (2019). Performance Analysis of Air and Oxy-Fuel Laminar Combustion in a Porous Plate Reactor. Energies, 12 (9), 1706. doi: https://doi.org/10.3390/en12091706
  24. ParaView. An open-source, multi-platform data analysis and visualization application. Available at: http://www.paraview.org/

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-08-31

Як цитувати

Karvatskii, A., Lazariev, T., Leleka, S., Mikulionok, I., & Ivanenko, O. (2020). Визначення параметрів процесу газифікації вуглецевмісних матеріалів у барабані-охолоджувачі обертової печі. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(8 (106), 65–76. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.210767

Номер

Том 4 № 8 (106) (2020): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Anton Karvatskii, Taras Lazariev, Serhii Leleka, Ihor Mikulionok, Olena Ivanenko

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.