Моделирование тепломассопереноса в реакторе пиролиза древесных пеллет

С. К. Попов; А. А. Валинеева; Э. А. Сериков

Моделирование тепломассопереноса в реакторе пиролиза древесных пеллет

С. К. Попов, А. А. Валинеева, Э. А. Сериков

Аннотация

Торрефикация является одним из эффективных методов термохимической переработки биомассы в полноценное топливо. Для создания масштабных промышленных установок необходимы экспериментальные и расчетно-теоретические исследования процессов и установок торрефикации с применением методов математического моделирования. Выполнена программная реализация математической модели пиролиза частицы углеродсодержащего материала в высокотемпературном потоке, проведена верификация модели, ее адаптация к конфигурации древесных пеллет и кинетическим параметрам химической реакции пиролиза. Получены уравнения, которые расширяют возможности применения математической модели для анализа процесса пиролиза различных углеродсодержащих материалов с порядком химической реакции, большим либо равным единице. Проведено исследование на адаптированной модели характеристик процесса торрефикации для разработки эффективных термохимических реакторов-пиролизеров. Установлено, что при температурах ниже 600 K расчетный анализ процесса пиролиза можно выполнять на одной математической модели для частиц биомассы как сферической, так и цилиндрической формы. Показано, что исследование кинетики торрефикации методами термогравиметрического анализа является необходимым этапом, предшествующим математическому моделированию и разработке реактора торрефикации.

Ключевые слова

биомасса, пеллеты, пиролиз, торрефикация, математическое моделирование, тепломассоперенос, кинетика пиролиза

Полный текст:

PDF

Литература

Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2022 году». URL: https:// 2022.ecology-gosdoklad.ru (дата обращения 12.01.2024).

ФАO (The Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations). 2020. Глобальная оценка лесных ресурсов 2020 года. Основные выводы. DOI: 10.4060/ca8753ru.

Дитрих, В. И. Оценка объемов и возможные пути использования отходов лесозаготовок на примере Красноярского края / В. И. Дитрих, А. А. Андрияс, А. И. Пережилин, В. П. Корпачев // Хвойные бореальной зоны. — 2010. — Т. 27. — № 3 – 4, — С. 346 – 351. URL: https://hbz.sibsau.ru/page/archive (дата обращения 12.01.2024)

Компания BUHLER. Возобновляемый источник энергии будущего // ЛесПромИнформ. — 2007. — № 6 (46). — С. 118 — 119. URL: https://lesprominform.ru/media/_protected/journals_pdf/1319/ lesprominform 46.pdf (дата обращения 12.01.2024)

Сычев, Г. А. Экспериментальные исследования особенностей процесса торрефикации биомассы растительного происхождения. Дис. … канд. техн. наук: 05.14.01. / Сычев Георгий Александрович. М., 2020. — 125 с.

Chen, W. H. A state-of-the-art review of biomass torrefaction, densification and applications / W. H. Chen, J. Peng, X. T. Bi // Renewable and Sustainable Energy Reviews. — 2015. — V. 44. — P. 847 – 866. — DOI: 10.1016/j.rser.2014.12.039.

Milica Djurdjevic, Sasa Papuga. Torrefaction: Process Parameters and Reactor Design // Periodica Polytechnica Chemical Engineering. — 2023. — 67(3). — P. 416 – 426. — DOI: 10.3311/ PPch.22081.

Faleeva, J. M. Exothermic effect during torrefaction / J. M. Faleeva, V. A. Sinelshchikov, G. A. Sytchev, V. M. Zaichenko // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conf. Series 946 (2018) 012033 DOI: 10.1088/1742-6596/946/1/012033.

Wardach-Swiecicka, Izabela, Modelling thermal behaviour of a single solid particle pyrolysing in a hot gas flow / Wardach-Swiecicka Izabela, Kardas Dariusz // Energy. — V. 221. — 2021, 119802. DOI: 10.1016/j.energy.2021.119802.

Blasi, Di. Modeling of Transport Phenomena and Kinetics of Biomass Pyrolysis. In: Bridgwater, A. V. (eds) / Di Blasi, C., Russo, G. Advances in Thermochemical Biomass Conversion. Springer, Dordrecht — 1993. — P. 906 – 921. DOI: 10.1007/ 978-94-011-1336-6_70.

Yuen, R. K. K. Modelling the pyrolysis of wet wood. — I. Three-dimensional formulation and analysis / R. K. K. Yuen, G. H. Yeoh, G. de Vahl Davis, E. Leonardi // Int J Heat Mass Tran — 2007. — V. 50. — P. 4371 – 4386. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.01.008.

Валинеева, А. А. Моделирование процесса пиролиза одиночной твердой частицы / А. А. Валинеева, С. К. Попов // Энергосбережение — теория и практика: Труды XI Всероссийской конференции с международным участием (Москва, 10 – 14 октября 2022 г.) — М.: ООО «Центр полиграфических услуг “Радуга”», 2022. — С. 262 – 267.

Попов, С. К. Моделирование тепломассопереноса при пиролизе биомассы / С. К. Попов, А. А. Валинеева, В. А. Мучник // «Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии»: Международная научно-техническая конференция (XXII Бенардосовские чтения) (31 мая – 2 июня 2023 г., г. Иваново). Материалы конференции. В 3-х т. Т. 2. — Иваново: ФГБОУ ВО «Ивановский энергетический университет имени В. И. Ленина», 2023. — С. 228 – 230. — ISBN 978-5-00062-575-0 (Т. 2).

Попов, С. К. Модель тепломассопереноса при пиролизе углеродсодержащей частицы в газовом потоке / С. К. Попов, А. А. Валинеева, Э. А. Сериков // Промышленная энергетика, 2023, № 5, С. 2 – 9.

Патанкар, С. В. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости: Пер. с англ. / С. В. Патанкар. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 150 с.

Патанкар, С. В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е. В. Калабина; под ред. Г. Г. Янькова / С. В. Патанкар. — М.: Изд-во МЭИ, 2003. — 312 с.

Flynn, J. H. The isoconversional method for determination of energy of activation at constant heating rates. Corrections for the Doyle approximation / J. H. Flynn // Journal of Thermal Analysis. — 1983. — V. 27. — P. 95 – 102. URL: https://www.sci-hub.ru/10.1007/bf01907325?ysclid= lowyuk625c222762668 (дата обращения: 12.01.2024).

Doyle, C. D. Estimating isothermal life from thermogravimetric data / C. D. Doyle // Journal of Applied Polymer Science — V. 6. — 1962. — P. 639 – 642. DOI: 10.1002/app. 1962.070062406.

Yong Yang Gan. Effect of wet torrefaction on pyrolysis kinetics and conversion of microalgae carbohydrates, proteins, and lipids / Yong Yang Gan, Wei-Hsin Chen, Hwai Chyuan Ong, Yu-Ying Lin, Herng-Kuang Sheen, Jo-Shu Chang, Tau Chuan Ling. // Energy Conversion and Management. — V. 227. — 2021. — 113609. DOI: 10.1016/ j.enconman.2020.113609.

Гюльмалиев, А. М. Теоретические основы химии угля / Theoretical grounds of chemistry coal / А. М. Гюльмалиев, Г. С. Головин, Т. Г. Гладун. — М.: Изд-во Моск. гос. гор. ун-та, 2003. — 556 с. ISBN 5-7418-0243-5.