energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2021-64-1-51-64energy-2041Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGЭкспериментальное и расчетное исследования пиролиза биомассы в цилиндрическом реактореExperiments and Computational Research of Biomass Pyrolysis in a Cylindrical ReactorМитрофановА. B.MitrofanovA. V.

г. Иваново

МизоновВ. Е.MizonovV. E.

г. Иваново

Ivanovo

ВасилевичС. В.VasilevichS. V.

Адрес для переписки: Василевич Сергей  Владимирович  – Белорусская государственная академия авиации, ул. Уборевича, 77, 220096, г. Минск, Республика Беларусь.  Тел.: +375 17 272-98-22     svasilevich@yandex.ru

svasilevich@yandex.ruМалькоМ. В.MalkoM. V.

 г. Минск

Minsk

Ивановский государственный энергетический университетРоссияIvanovo State Power Engineering UniversityRussian FederationБелорусская государственная академия авиацииБеларусьBelarusian State Academy of AviationBelarusИнститут энергетики НАН БеларусиБеларусьInstitute of Power Engineering of the National Academy of Sciences of BelarusBelarus2021080220216415164Copyright © Митрофанов А.B., Мизонов В.Е., Василевич С.В., Малько М.В., 20212021Митрофанов А.B., Мизонов В.Е., Василевич С.В., Малько М.В.Mitrofanov A.V., Mizonov V.E., Vasilevich S.V., Malko M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2041

В статье представлено экспериментальное исследование пиролиза термически тонких частиц биомассы (березовая щепа 17´8´6 мм) в лабораторном аппарате периодического действия. Реактор установки имеет вид стального цилиндра с внутренним диаметром 200 мм и высотой 500 мм. Во время эксперимента температура наружной боковой поверхности аппарата поддерживалась постоянной (550 °C) за счет электрического нагрева. Масса начальной загрузки составляла около 4 кг при влагосодержании материала порядка 14 % по массе. В процессе эксперимента фиксировались значения температур материала в двух точках радиальной координаты: у стенки аппарата и на его оси. Предложена и верифицирована одномерная численная модель нестационарного процесса конверсии биомассы (тепломассообмена, совмещенного с реакционной моделью Аврами – Ерофеева). Реактор представлен как набор из счетного числа цилиндрических слоев, рассматриваемых как ячейки (представительные мезообъемы) с идеальным перемешиванием свойств внутри. Цилиндрические поверхности, образующие ячейки, считаются изотермическими. Размер ячеек выбран достаточно большим по сравнению с отдельными частицами слоя, что позволяет считать температурное поле внутри объема ячейки монотонным. Эволюция распределения температуры по радиусу цилиндрического реактора определяется на основе разностной аппроксимации процесса нестационарной теплопроводности. Расчетные прогнозы и экспериментальные данные показали хорошее соответствие, что свидетельствует об адекватности разработанной математической модели и позволяет рекомендовать ее для проведения инженерных расчетов пиролиза биомассы. Данная модель может оказаться полезной и в отношении углубления понимания основных физических и химических процессов, протекающих в условиях пиролиза биомассы

The article features an experimental study of thermally thin biomass samples (beech wood particles 17×8×6 mm) pyrolysis in a laboratory scale batch reactor. The reactor was a cylindrical steel body with internal diameter of 200 mm and height of 500 mm. The temperature of a lateral surface of the cylinder during the experiment was being kept constant (550 °C) due to electrical heating. The initial loading of the apparatus was about 4 kg with moisture content of about 14 % by weight. During the experiment, the temperature values of the material being pyrolyzed were recorded at two points of the radial coordinate, viz. at the wall of the apparatus and on its axis. A one-dimensional numerical model of the nonstationary process of biomass conversion (heat and mass transfer in combination with the Avrami – Erofeev reaction model) has been proposed and verified. The reactor is represented as a set of a countable number of cylindrical layers, considered as cells (representative meso-volumes) with an ideal mixing of the properties inside. The cylindrical surfaces that form cells are considered to be isothermal. The size of the cells is chosen to be sufficiently large in comparison with the individual particles of the layer, which makes it possible to consider the temperature field inside the cell volume as monotonic. The evolution of the temperature distribution over the radius of a cylindrical reactor is determined on the basis of a difference approximation of the process of non-stationary thermal conductivity. The calculated forecasts and experimental data showed a good agreement, which indicates the adequacy of the developed mathematical model of pyrolysis and makes it possible to recommend it for engineering calculations of biomass pyrolysis. This model can also be useful in improving the understanding of the basic physical and chemical processes occurring in the conditions of biomass pyrolysis.

пиролиздревесная биомассауравнение Аврами – Ерофеевачисленное моделированиетепло- и массообменpyrolysiswood biomassAvrami – Erofeev equationnumerical modelheat and mass transfeReferencesКорсак, Е. П. Формирование системы угроз энергетической безопасности Республики Беларусь / Е. П. Корсак // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 4. C. 388–398. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398.Korsak E. P. (2019) Formation of the System of Threats to Energy Security of the Republic of Belarus. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (4), 388–398 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398Фортов, В. Е. Состояние развития возобновляемых источников энергии в мире и в России / В. Е. Фортов, О. С. Попель // Теплоэнергетика. 2014. № 6. С. 4–13.Fortov V. E., Popel’ O. S. (2014) The Current Status of the Development of Renewable Energy Sources Worldwide and in Russia. Teploenergetika = Thermal engineering, 61 (6), 389–398. https://doi.org/10.1134/s0040601514060020Лосюк, Ю. А. Некоторые аспекты термохимической конверсии торфа / Ю. А. Лосюк, С. В. Жибрик, С. В. Корчиненко // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2008. № 5. C. 60–66.Losiuk Y. A., Gibric S. V., Korchinenko S. V. (2008) Some Aspects of Thermochemical Decomposition of Peat. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, (5), 60–66 (in Russian).Малько, М. В. Кинетика пиролиза древесной биомассы в изотермических условиях / М. В. Малько, С. В. Василевич // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. 2019. Т. 64, № 3. С. 321–331. https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-3-321-331Malko M. V., Vasilevich S. V. (2019) Kinetics of Pyrolysis of Wood Biomass under Isothermal Conditions. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, 64 (3), 321–331 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8358-2019-64-3-321-331Василевич, С. В. Расчетное исследование выхода твердых продуктов пиролиза древесины при повышенном давлении / С. В. Василевич, М. В. Малько, Д. В. Дегтеров, А. Н. Асадчий // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2020. № 3. C. 253–263. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-3-253-263Vasilevich S. V., Malko M. V., Degterov D. V., Asadchyi A. N. (2020) Computational Study of the Yield of Solid Wood Pyrolysis Products under High Pressure. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 63 (3), 253–263 (in Russian). https://doi.org/10.21122/1029-7448-2020-63-3-253-263Gidaspow, D. Multiphase Flow and Fluidization: Continuum and Kinetic Theory Descriptions / D. Gidaspow. San Diego: Academic Press, 1994. 467 p. https://doi.org/10.1016/C2009-0-21244-XGidaspow D. (1994) Multiphase Flow and Fluidization: Continuum and Kinetic Theory Descriptions. San Diego, Academic Press Publ. 467. https://doi.org/10.1016/C2009-0-21244-XHoef van der, M. A. Multiscale Modeling of Gas-Fluidized Beds / M. A. van der Hoef [et al.] // Advances in Chemical Engineering. 2006. Vol. 31. P. 65–149. https://doi.org/10.1016/s0065-2377(06)31002-2Hoef van der M. A., Ye M., Sint Annaland van M., Andrews A. T., Sundaresan S., Kuipers J. A. M. (2006) Multiscale Modeling of Gas-Fluidized Beds. Advances in Chemical Engineering, 31, 65–149. https://doi.org/10.1016/s0065-2377(06)31002-2Deen, N. G. Review of Discrete Particle Modeling of Fluidized Beds / N. G. Deen [et al.] // Chemical Engineering Science. 2007. Vol. 62, Iss. 1–2. P. 28–44. https://doi.org/10.1016/j. ces.2006.08.014Deen N. G., Sint Annaland van. M., Hoef van der M.A., Kuipers J.A.M. (2007) Review of Discrete Particle Modeling of Fluidized Beds. Chemical Engineering Science, 62 (1–2), 28–44. https://doi.org/10.1016/j.ces.2006.08.014Добрего, К. В. Макрокинетические модели термического разложения доломита для расчета сорбционных систем газогенераторов / К. В. Добрего // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2015. № 5. С. 51–59.Dobrego K. V. (2015) Dolomite Thermal-Decomposition Macrokinetic Models for Evaluation of the Gasgenerators Sorbent Systems. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, (5), 51–59 (in Russian).Babkin, V. A. Turbulent Fluid Flows in a Circular Pipe and Plane Channel and Models of Mesoscale Turbulence / V. A. Babkin, V. N. Nikolaevskii // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2011. Vol. 84, No. 2. P. 430–439. https://doi.org/10.1007/s10891-011-0489-5Babkin V. A., Nikolaevskii V. N. (2011) Turbulent Fluid Flows in a Circular Pipe and Plane Channel and Models of Mesoscale Turbulence. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 84 (2), 430–439. https://doi.org/10.1007/s10891-011-0489-5Ge, W. Meso-scale Oriented Simulation Towards Virtual Process Engineering (VPE) – The EMMS Paradigm / W. Ge, W. Wang, N. Yang // Chemical Engineering Science. 2011. Vol. 66. Iss. 19. P. 4426–4458. https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.05.029.Ge W., Wang W., Yang N., Li J., Kwauk M., Chen F. [et al.] (2011) Meso-Scale Oriented Simulation Towards Virtual Process Engineering (VPE) – The EMMS Paradigm. Chemical Engineering Science, 66 (19), 4426–4458. https://doi.org/10.1016/j.ces.2011.05.029Dai, Q. Influence of Meso-scale Structures on Drag in Gas-solid Fluidized Beds / Q. Dai, C. Chen, H. Qi // Powder Technology. 2016. Vol. 288. P. 87–95. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.10.031.Dai Q., Chen C., Qi H. (2016) Influence of Meso-Scale Structures on Drag in Gas-Solid Fluidized Beds. Powder Technology. 288, 87–95. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2015.10.031.Mitrofanov, A. Application of the Theory of Markov Chains to Theoretical Study of Processes in a Circulating Fluidized Bed / A. Mitrofanov [et al.] // Particulate Science and Technology. 2019. Vol. 37. No. 8. P. 1028–1033. https://doi.org/10.1080/02726351.2018.1525459Mitrofanov A., Mizonov V., Camelo A., Tannous K. (2019) Application of the Theory of Markov Chains to Theoretical Study of Processes in a Circulating Fluidized Bed. Particulate Science and Technology, 37 (8), 1032–1037. https://doi.org/10.1080/02726351.2018.1525459Mitrofanov, A. V. Theoretical and Experimental Study of Particulate Solids Drying in Circulating Fluidized Bed / A. Mitrofanov [et al.] // JP Journal of Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 18. No. 2. P. 267–276. https://doi.org/10.17654/hm018020267Mitrofanov A., Mizonov V., Shuina E., Kasatkina N., Shpeynova N. (2019) Theoretical and Experimental Study of Particulate Solids Drying in Circulating Fluidized Bed. JP Journal of Heat and Mass Transfer, 18 (2), 267–276. https://doi.org/10.17654/hm018020267Zhukov, V. P. Simulation of Combined Heterogeneous Processes Based on Discrete Models of the Boltzmann Equation / V. P. Zhukov, A. N. Belyakov // Theor. Found. Chem. Eng. 2017. Vol. 51. P. 88–93. https://doi.org/10.1134/s0040579517010158Zhukov V. P., Belyakov A. N. (2017) Simulation of Combined Heterogeneous Processes Based on Discrete Models of the Boltzmann Equation. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 51 (1), 88–93. https://doi.org/10.1134/s0040579517010158Pozzobon, V. Radiative Pyrolysis of Wet Wood under Intermediate Heat Flux: Experiments and Modelling / V. Pozzobon [et al.] // Fuel Processing Technology. 2014. Vol. 128. P. 319–330. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.07.007Pozzobon V., Salvador S., Bézian J. J., El-Hafi M., Le Maoult Y., Flamant G. (2014) Radiative Pyrolysis of Wet Wood under Intermediate Heat Flux: Experiments and Modelling. Fuel Processing Technology, 128, 319–330. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.07.007Bryden, K. M. Modeling the Combined Impact of Moisture and Char Shrinkage on the Pyrolysis of a Biomass Particle / K. M. Bryden, M. J. Hagge // Fuel. 2003. 82. P. 1633–1644. https://doi.org/10.1016/s0016-2361(03)00108-xBryden K. M., Hagge M. J. (2003) Modeling the Combined Impact of Moisture and Char Shrinkage on the Pyrolysis of a Biomass Particle. Fuel, 82 (13), 1633–1644. https://doi.org/10.1016/s0016-2361(03)00108-xLu, H. Comprehensive Study of Biomass Particle Combustion / H. Lu // Energy and Fuels. 2008. Vol. 22. P. 2826–2839. https://doi.org/10.1021/ef800006zLu H., Robert W., Peirce G., Ripa B., Baxter L. L. (2008) Comprehensive Study of Biomass Particle Combustion. Energy and Fuels, 22 (4), 2826–2839. https://doi.org/10.1021/ef800006zFatehi, H. A Comprehensive Mathematical Model for Biomass Combustion / H. Fatehi, X.S. Bai // Combustion Science and Technology. 2014. Vol. 186. P. 574–593. https://doi.org/10.1080/00102202.2014.883255Fatehi, H., Bai X. S. (2014) A Comprehensive Mathematical Model for Biomass Combustion. Combustion Science and Technology, 186 (4-5), 574–593. https://doi.org/10.1080/00102202.2014.883255Mujumdar, A. S. Handbook of Industrial Drying / A. S. Mujumdar. 3rd ed. New York: CRC Press; Taylor & Francis Group, 2006. 1312 p. https://doi.org/10.1201/9781420017618Mujumdar A. S. (ed.) (2006) Handbook of Industrial Drying. 3rd Ed. New York, CRC Press; Taylor & Francis Group, 2006. 1278 pp. https://doi.org/10.1201/9781420017618Исследование процесса получения древесного угля путем пиролиза под давлением / С. В. Василевич [и др.] // Вес. Нац. акад. навук Беларусі. Сер. фіз.-тэхн. навук. 2017. № 3. С. 64–71.Vasilevich S. V., Malko M. V., Bahach U. N., Degterev D. V., Asadchyi A. N. (2017) Study of the Process of Charcoal Producing by Pyrolysis under Pressure. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya fizika-technichnych navuk = Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series, (3), 64–71 (in Russian).

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