Виявлення впливу конструкційно-технологічних параметрів газо-дуттьового вузла на розподіл потоків повітря в газогенераторі

Автор(и)

  • Геннадій Анатолійович Голуб Національний університет біоресурсів і природокористування України, Україна https://orcid.org/0000-0002-2388-0405
  • Наталія Михайлівна Цивенкова Національний університет біоресурсів і природокористування України, Україна https://orcid.org/0000-0003-1703-4306
  • Віктор Анатолійович Голуб Національний університет оборони України імені Івана Черняховського, Україна https://orcid.org/0000-0002-1111-8819
  • В’ячеслав Володимирович Чуба Національний університет біоресурсів і природокористування України, Україна https://orcid.org/0000-0002-4119-0520
  • Іван Сергійович Омаров Інститут відновлюваної енергетики НАН України, Україна https://orcid.org/0000-0001-9449-853X
  • Анна Анатоліївна Голубенко Поліський національний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-5018-5312

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.263436

Ключові слова:

газо-дуттьовий вузол, газогенератор, камера газифікації, реакційна зона, окислення, відновлення, синтез-газ

Анотація

Об’єктом дослідження є конструкційно-технологічні параметри газо-дуттьового вузла камери газифікації газогенератора. Вирішено проблему забезпечення рівномірного розподілу повітряних мас в газогенераторі із застосуванням програми ANSYS Fluent. Дослідження засноване на імітаційному моделюванні руху потоків повітря в характеристичних перерізах газогенератора, зокрема в поперечному перерізі камери газифікації на межі зон окислення і відновлення. Проаналізовано сім конструкцій газо-дуттьового вузла, ефективність яких визначалася коефіцієнтом варіації. Найбільш ефективною виявилася конструкція, значення коефіцієнту варіації якої найменше і рівне 93 %. При цьому загальна площа зон з відсутністю руху повітряних мас, тобто відсутністю процесу газифікації, не перевищує 12 % від загальної площі перерізу газогенератора. Швидкість повітряних мас на межі зон окислення і відновлення вирівняна в усьому поперечному перерізі камери і складає V»4,5 м/с. Усереднене значення вертикальної складової швидкості повітряних мас у перерізі на вході в зону відновлення камери газифікації становить V»0,6 м/с. За таких умов забезпечується виробництво синтез-газу високої теплотворної здатності з відсутністю смол, кислот, важких вуглеводнів і механічних домішок. Відповідність результатів імітаційного моделювання експериментальним даним підтверджена коефіцієнтом детермінації, який склав 0,87.

Отримані результати можуть бути покладені в основу осучасненої методології дослідження аеродинамічних, тепло і масообмінних процесів, які протікають під час газифікації біомаси. Це дозволить визначати раціональні конструкційно-технологічні параметри газогенераторів та підвищити ефективність процесу газифікації в цілому

Біографії авторів

Геннадій Анатолійович Голуб, Національний університет біоресурсів і природокористування України

Доктор технічних наук, професор

Кафедра тракторів, автомобілів та біоенергоресурсів

Наталія Михайлівна Цивенкова, Національний університет біоресурсів і природокористування України

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра тракторів, автомобілів та біоенергоресурсів

Віктор Анатолійович Голуб, Національний університет оборони України імені Івана Черняховського

Доктор технічних наук, професор

Науково-випробувальний відділ

В’ячеслав Володимирович Чуба, Національний університет біоресурсів і природокористування України

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра тракторів, автомобілів та біоенергоресурсів

Іван Сергійович Омаров, Інститут відновлюваної енергетики НАН України

Відділення відновлюваних органічних енергоносіїв

Анна Анатоліївна Голубенко, Поліський національний університет

Асистент

Кафедра електрифікації, автоматизації виробництва та інженерної екології

Посилання

  1. Basu, P. (2018). Biomass gasification, pyrolysis and torrefaction: Practical design and theory. Academic Press. doi: https://doi.org/10.1016/c2016-0-04056-1
  2. Slade, R., Saunders, R., Gross, R., Bauen A. (2011). Energy from biomass: the size of the global resource. An assessment of the evidence that biomass can make a major contribution to future global energy supply. UK Energy Research Centre, 120. Available at: https://spiral.imperial.ac.uk/bitstream/10044/1/12650/4/GlobalBiomassReport_LOLO.pdf
  3. Jenkins, R. G. (2020). Thermal gasification of biomass – a primer. Bioenergy, 293–324. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-12-815497-7.00015-4
  4. Lewandowski, W. M., Ryms, M., Kosakowski, W. (2020). Thermal Biomass Conversion: A Review. Processes, 8 (5), 516. doi: https://doi.org/10.3390/pr8050516
  5. Wurzenberger, J. C., Wallner, S., Raupenstrauch, H., Khinast, J. G. (2002). Thermal conversion of biomass: Comprehensive reactor and particle modeling. AIChE Journal, 48 (10), 2398–2411. doi: https://doi.org/10.1002/aic.690481029
  6. García, R., Pizarro, C., Lavín, A. G., Bueno, J. L. (2017). Biomass sources for thermal conversion. Techno-economical overview. Fuel, 195, 182–189. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2017.01.063
  7. Chhiti, Y., Kemiha, M. (2013). Thermal Conversion of Biomass, Pyrolysis and Gasification: A Review. The International Journal of Engineering And Science, 2 (3), 75–85. Available at: https://www.theijes.com/papers/v2-i3/M023075085.pdf
  8. Tregub, M., Holubenko, A., Tsyvenkova, N. (2021). Experimental Studies of Structural and Technological Parameters of a Downdraft Gasifier Based on Plant Biomass. Scientific Horizons, 24 (6), 9–23. doi: https://doi.org/10.48077/scihor.24(6).2021.9-23
  9. Tsyvenkova, N., Kukharets, S., Kukharets, V., Savchenko, N. (2020). Experimental study of influence of tuyere belt design on thermal conditions of gasification chamber operation. 19th International Scientific Conference Engineering for Rural Development Proceedings. doi: https://doi.org/10.22616/erdev.2020.19.tf302
  10. Pavlenko, M., Chuba, V., Tsyvenkova, N., Tereshchuk, M. (2020). Experimental study on biomass air-steam gasification effectiveness in downdraft gasifier. 19th International Scientific Conference Engineering for Rural Development Proceedings. doi: https://doi.org/10.22616/erdev.2020.19.tf495
  11. Barbashin, M. Y. (2017). Imitation Modeling and Institutional Studies. Journal of Institutional Studies, 9 (3), 81–96. doi: https://doi.org/10.17835/2076-6297.2017.9.3.081-096
  12. Grønli, M. G., Melaaen, M. C. (2000). Mathematical Model for Wood PyrolysisComparison of Experimental Measurements with Model Predictions. Energy & Fuels, 14 (4), 791–800. doi: https://doi.org/10.1021/ef990176q
  13. Reed, T. B., Das, A. (1988). Handbook of biomass downdraft gasifier engine systems. United States. doi: https://doi.org/10.2172/5206099
  14. Mezin, I. S. (1948). Transportnye gazogeneratory. Moscow: Sel'khozgiz.
  15. González, J. F., Román, S., Bragado, D., Calderón, M. (2008). Investigation on the reactions influencing biomass air and air/steam gasification for hydrogen production. Fuel Processing Technology, 89 (8), 764–772. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2008.01.011
  16. Patra, T. K., Nimisha, K. R., Sheth, P. N. (2016). A comprehensive dynamic model for downdraft gasifier using heat and mass transport coupled with reaction kinetics. Energy, 116, 1230–1242. doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.10.036
  17. Janoszek, T., Stańczyk, K., Smoliński, A. (2017). Modelling Test of Autothermal Gasification Process Using CFD. Archives of Mining Sciences, 62 (2), 253–268. doi: https://doi.org/10.1515/amsc-2017-0019
  18. Irum, Q., Khan, S. A., Uppal, A. A., Krivodonova, L. (2020). Galerkin Finite Element Based Modeling of One Dimensional Packed Bed Reactor for Underground Coal Gasification (UCG) Process. IEEE Access, 8, 223130–223139. doi: https://doi.org/10.1109/access.2020.3044194
  19. Masmoudi, M. A., Sahraoui, M., Halouani, K. (2017). Modeling and simulation of heat and mass transfer during biomass gasification in a packed bed downdraft reactor. International Journal of Energy, Environment and Economics, 12 (3), 207–223.
  20. Hesameddin, F. (2014). Numerical Simulation of Combustion and Gasification of Biomass Particles. Lund University.
  21. Mazaheri, N., Akbarzadeh, A. H., Madadian, E., Lefsrud, M. (2019). Systematic review of research guidelines for numerical simulation of biomass gasification for bioenergy production. Energy Conversion and Management, 183, 671–688. doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.12.097
  22. Puig-Gamero, M., Pio, D. T., Tarelho, L. A. C., Sánchez, P., Sanchez-Silva, L. (2021). Simulation of biomass gasification in bubbling fluidized bed reactor using aspen plus®. Energy Conversion and Management, 235, 113981. doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.113981
  23. Duan, W., Yu, Q., Wang, K., Qin, Q., Hou, L., Yao, X., Wu, T. (2015). ASPEN Plus simulation of coal integrated gasification combined blast furnace slag waste heat recovery system. Energy Conversion and Management, 100, 30–36. doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.04.066
  24. Lestinsky, P., Palit, A. (2016). Wood Pyrolysis Using Aspen Plus Simulation and Industrially Applicable Model. GeoScience Engineering, 62 (1), 11–16. doi: https://doi.org/10.1515/gse-2016-0003
  25. Sreejith, C. C., Muraleedharan, C., Arun, P. (2013). Performance prediction of steam gasification of wood using an ASPEN PLUS thermodynamic equilibrium model. International Journal of Sustainable Energy, 33 (2), 416–434. doi: https://doi.org/10.1080/14786451.2012.755977
  26. Acharya, B., Dutta, A., Basu, P. (2010). An investigation into steam gasification of biomass for hydrogen enriched gas production in presence of CaO. International Journal of Hydrogen Energy, 35 (4), 1582–1589. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.11.109
  27. Rupesh, S., Muraleedharan, C., Arun, P. (2016). ASPEN plus modelling of air–steam gasification of biomass with sorbent enabled CO2 capture. Resource-Efficient Technologies, 2 (2), 94–103. doi: https://doi.org/10.1016/j.reffit.2016.07.002
  28. Ibrahimoglu, B., Cucen, A., Yilmazoglu, M. Z. (2017). Numerical modeling of a downdraft plasma gasification reactor. International Journal of Hydrogen Energy, 42 (4), 2583–2591. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.06.224
  29. Klimanek, A., Bigda, J. (2018). CFD modelling of CO2 enhanced gasification of coal in a pressurized circulating fluidized bed reactor. Energy, 160, 710–719. doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.07.046
  30. Ismail, T. M., Shi, M., Xu, J., Chen, X., Wang, F., El-Salam, M. A. (2020). Assessment of coal gasification in a pressurized fixed bed gasifier using an ASPEN plus and Euler–Euler model. International Journal of Coal Science & Technology, 7 (3), 516–535. doi: https://doi.org/10.1007/s40789-020-00361-w
  31. Muilenburg, M., Shi, Y., Ratner, A. (2011). Computational Modeling of the Combustion and Gasification Zones in a Downdraft Gasifier. Volume 4: Energy Systems Analysis, Thermodynamics and Sustainability; Combustion Science and Engineering; Nanoengineering for Energy, Parts A and B. doi: https://doi.org/10.1115/imece2011-64009
  32. Yepes Maya, D. M., Silva Lora, E. E., Andrade, R. V., Ratner, A., Martínez Angel, J. D. (2021). Biomass gasification using mixtures of air, saturated steam, and oxygen in a two-stage downdraft gasifier. Assessment using a CFD modeling approach. Renewable Energy, 177, 1014–1030. doi: https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.06.051
  33. Vasylkovskyi, O., Leshchenko, S., Vasylkovska, K., Petrenko, D. (2016). Pidruchnyk doslidnyka. Kirovohrad, 204.

##submission.downloads##

Опубліковано

2022-08-29

Як цитувати

Голуб, Г. А., Цивенкова, Н. М., Голуб, В. А., Чуба, В. В., Омаров, І. С., & Голубенко, А. А. (2022). Виявлення впливу конструкційно-технологічних параметрів газо-дуттьового вузла на розподіл потоків повітря в газогенераторі. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(8 (118), 29–43. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.263436

Номер

Том 4 № 8 (118) (2022): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2022 Gennadii Golub, Nataliya Tsyvenkova, Victor Golub, Viacheslav Chuba, Ivan Omarov, Anna Holubenko

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.