Experimental studies of structural and technological parameters of a downdraft gasifier based on plant biomass

Abstract

The relevance of the study is conditioned upon the need to develop and implement structural and technological solutions to improve the efficiency of the chemical and thermal conversion of biomass into combustible gas. Within the framework of the above, the authors of this paper have designed a downdraft gasifier running on plant biomass. The presented research links the heat quantity received from the utilisation of syngas produced during the gasifier operation cycle with the parameters of the gas blow regime and the physico-chemical properties of biomass. For an in-depth study of the influence of the gas blow regime on the yield and calorific value of syngas produced from biomass, the authors introduce the concept of the blow coverage quality coefficient. This coefficient describes the quality of the cross-section coverage of the gasification chamber neck with gas currents of the tuyere zone. The purpose of this study is to establish the influence of the blow coverage quality coefficient, the volume of blow gases and the void ratio of the bulk biomass layer on the heat quantity received from syngas produced during the gasifier operation cycle. A multi-factor experiment was planned and performed, which relates the dependent factor to variables, and the corresponding response surfaces were constructed. The research findings are that the maximum value of the heat quantity received from the utilisation of syngas produced during the one-hour gasifier operation cycle was 519 MJ. This value is achieved with 0.8 blow coverage quality coefficient and a blow gas volume of 47.4 m3/h and 46.75% void ratio of the bulk biomass layer. The measurement results are highly consistent with the calculated data. The coefficient of determination was R2=0.983. The practical value of this study is to substantiate the rational design and technological parameters of the downdraft biomass gasifier operation, which will increase the efficiency of biomass energy production. The findings presented in this study can be used both to design new gasifiers and to improve the efficiency of the available ones.

Актуальність дослідження обумовлена необхідністю розробки та впровадження конструкційно-технологічних рішень щодо підвищення ефективності процесу хіміко-термічної конверсії біомаси в горючий газ. У рамках зазначеного розроблено конструкцію газогенераторної установки, яка містить протипотоковий газогенератор, що працює на рослинній біомасі. Представлені дослідження пов’язують кількість теплоти, якуможна отримати при утилізації синтез-газу, виробленого за цикл роботи установки, з параметрами газодуттьового режиму та фізико-хімічними властивостями біомаси. Для поглибленого дослідження впливу газодуттьового режиму на кількість і теплотворну здатність синтез-газу, виробленого з біомаси, введено поняття коефіцієнту якості дуттьового перекриття. Даний коефіцієнт характеризує якість перекриття перерізу горловини камери газоутворення газовими струменями фурмової зони. Мета роботи полягала у встановленні впливу коефіцієнту якості дуттьового перекриття, об’єму газів дуття та порозності насипного шару біомаси на кількість теплоти,яку можна отримати при утилізації синтез-газу, виробленого за цикл роботи установки. Сплановано та проведено багатофакторний експеримент, який пов’язує залежний фактор із змінними, та побудовано відповідні поверхні відгуку. За результатами досліджень встановлено, що максимальне значення кількості теплоти, отриманої при утилізації синтез-газу, виробленого за годинний цикл роботи установки, становило 519 МДж. Дане значення досягається при коефіцієнті якості дуттьового перекриття 0,8, об’ємі газів дуття 47,4 м3/год та порозності насипного шару біомаси 46,75 %. Результати вимірювань мають високу відповідність розрахунковим даним.Коефіцієнт детермінації становив R2=0,983. Практична цінність дослідження полягає в обґрунтуванні раціональних конструкційно-технологічних параметрів роботи протипотокового газогенератора на біомасі, що дозволить підвищити ефективність виробництва енергії з біомаси. Отримані результати можуть бути використані як для створення конструкцій нових газогенераторних установок, так і для підвищення ефективності роботи вже наявних.