alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2018.25-30.060-072alternative-1508Research ArticleВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКАRENEWABLE ENERGYГАЗОГЕНЕРАТОРНЫЕ ПЛИТЫ НА БИОМАССЕBIOMASS GAS GENERATOR STOVEShttps://orcid.org/0000-0001-8536-3211КлюсВ. П.KliusV. P.

Владимир Павлович Клюс - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заведующий отделом возобновляемых органических энергоносителей

д. 20А, ул. Гната Хоткевича, Киев, 02094

Volodymyr Klius - Ph.D. in Engineering, Senior Researcher, Head of Department of Renewable Organic Energy Carriers

20A Gnata Chotkevicha str., Kyiv

biomassa@ukr.nethttps://orcid.org/0000-0002-5804-4925КлюсС. В.KliusS. V.

Сергей Владимирович Клюс - кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела возобновляемых органических энергоносителей

д. 20А, ул. Гната Хоткевича, Киев, 02094

Sergiy Klius - Ph.D. in Engineering, Senior Researcher, Department of Renewable Organic Energy Carriers

20A Gnata Chotkevicha str., Kyiv

biomassa@ukr.netЖовмирН. М.ZhovmirN. M.

Николай Михайлович Жовмир - кандидат технических наук, старший научный сотрудник отдела возобновляемых органических энергоносителей ИВЭ НАН Украины, доцент кафедры возобновляемых источников энергии Киевского политехнического института

д. 20А, ул. Гната Хоткевича, Киев, 02094

Mykola Zhovmir - Ph.D. in Engineering, Senior Researcher at the Department of Renewable Organic Energy Carriers, IRE NAS of Ukraine, Associate Professor of the Department of Renewable Energy Sources of Kyiv Polytechnic Institute

20A Gnata Chotkevicha str., Kyiv

biomassa@ukr.nethttps://orcid.org/0000-0002-8314-9606ДидковскаяА. Г.DidkоvskaA. G.

Анна Георгиевна Дидковская - кандидат технических наук, научный сотрудник отдела возобновляемых органических энергоносителей

д. 20А, ул. Гната Хоткевича, Киев, 02094

Аnna Didkоvska - Ph.D. in Engineering, Researcher of the Department of Renewable Organic Ener gy Carriers

20A Gnata Chotkevicha str., Kyiv

biomassa@ukr.netИнститут возобновляемой энергетики НАН УкраиныУкраинаThe Institute of Renewable Energy of Ukraine National Academy of SciencesUkraine201807122018025-306072Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20182018Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1508

Работа относится к области исследований термохимических процессов преобразования биомассы в энергию, в частности, созданию газогенераторных плит на биомассе для приготовления пищи. Благодаря высокой энергоэффективности и экологичности, газогенераторные плиты существенно превосходят традиционные печи прямого сжигания биомассы. Представлен теоретический анализ процессов газификации и горения топлива в плите (в данном случае обращенный микрогазификатор с открытым верхом). Газификация осуществляется в вертикальном микрогазификаторе плотного слоя топлива с зажиганием топлива сверху и подачей воздуха снизу. Термические процессы, протекающие в микрогазификаторе, можно разделить на три этапа: частичная газификация биотоплива, полная газификация полученного биоугля, прямое горение биоугля. Для экспериментальных исследований были созданы пилотные образцы ряда плит с объемом реактора 5,5–9,7 л и проведены их испытания на различных видах биотоплива (пеллеты из древесины хвойных пород, обрезки сосновых пиломатериалов, щепа из древесины лиственных пород, брикеты из соломы, шелуха подсолнечника, шелуха гречихи). В результате испытаний установлено, что КПД плит составляет около 30 %, что примерно в 3 раза больше, чем у традиционных печей прямого сжигания, предназначенных для приготовления пищи, а средняя тепловая мощность газогенераторных плит составила 0,71–1,78 кВт, что соответствует тепловой мощности бытовых плит на природном газе. Расход топлива и удельная интенсивность горения топлива определяются подачей воздуха. Для ориентировочных расчетов можно принять расход топлива 1 кг/час. Удельная интенсивность горения для исследованных видов топлива изменялась в диапазоне 27,5–60,6 кг/(м2 · час). Теплоизоляция корпуса плиты позволяет не только существенно сократить тепловые потери в окружающую среду, но и избежать ожогов при случайном прикосновении человека к плите. Плиты имеют следующие преимущества: экологичность; экономичность; мобильность. Потребителями плит могут быть жители негазифицированных районов, дачники, туристы. 

The work refers to the field of thermochemical processes of the biomass conversion into energy, in particular to the creation of gas-generator stoves operating on biomass for cooking. In view of the high energy efficiency and environmental friendliness gas-burning stoves significantly exceed the traditional direct combustion biomass kilns. The theoretical analysis of the processes of gasification and combustion of fuel flowing in the stove is considered. The  stove is considered as a reversed microgasifier with an open top. Gasification is carried out in a vertical microgasifier of a dense layer of fuel with fuel ignition from above and air supply from below. The thermal processes taking place in the microgasifier can be divided into three stages: partial gasification of biofuel, complete gasification of the biochar obtained, direct combustion of the biochar. The pilot samples of a number of stoves with a reactor volume of 5.5 to 9.7 liters were made and pilot tests were carried out for the various types of biofuel (pellets from softwood, trimmed pine saw-timbers, wood chips from hardwood, briquettes from straw, sunflower husks, buckwheat husks). As a result of the tests it was found that the efficiency of the stoves is about 30% which is approximately 3 times more than that of traditional direct combustion furnaces, and the average thermal power of the gas-generator stoves was 0.71–1.78 kW which corresponds to the thermal power of household stoves operating on natural gas. The fuel consumption and the specific burning rate of the fuel are determined by the air supply. For approximate calculations, you can take a fuel consumption of 1 kg / hour. The specific intensity of combustion for the tested fuels varied in the range 27.5–60.6 kg / (m2 · h). The use of the thermal insulation of the hull makes it possible not only to reduce significantly heat losses to the environment but also to avoid burns if the person touches the stove accidentally. The stoves have the following advantages: ecological compatibility; the economy; mobility. Prospective consumers of stoves are the residents of non-gasified areas, summer residents, tourists.

плита бытоваябиотопливогазификациягорениеэнергоэффективностьэкологичностьhousehold stovebiofuelgasificationcombustionenergy efficiencyecological compatibilityReferencesГлобальный альянс за чистые кулинарные изделия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.cleancookstoves.org. – Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 25.01.2018).The Global Alliance for the Clean Culinary Products [E-resource]. Available on: http: www.cleancookstoves.org. – The title from the screen (25.01.2018) (in Eng.).Твайделл, Дж. Возобновляемые источники энергии / Дж. Твайделл. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 391 с.Twidell J., Wear A. Renewable energy sources (Vozobnovlyaemye istochniki energii). Moscow: Energoatomizdat Publ., 1990; 391 p. (in Russ.).Alexis, T. Belonio. Rice husk gas stove handbook / T. Belonio Alexis. – Philippines: Изд-во Central Philippine University, 2005. – 153 p.Belonio A.T. Rice husk gas stove handbook. Central Philippine University, 2005; 153 p. (in Eng.).Карп, И.Н. Исследование и внедрение процессов газификации углей и биомассы с целью замещения природного газа [Текст] / И.Н. Карп [и др.] // Энерготехнологии и ресурсосбережение. – 2014. – № 4. – С. 3–11.Karp I.N., Martsevoj E.P., Pianykh K.E., Antoshchuk T.A., Pianykh K.K. An investigation and introduction of gasification processes for coals and biomass with the aim of replacing of natural gas (Issledovanie i vnedrenie processov gazifikatsii uglei i biomassy s tsel’u zameshcheniya prirodnogo gaza). Energotechnologii i resursosberejenie, 2014;(4):3–11(in Russ.).Кремнева К.В. Повышение эффективности двустадийного процесса газификации мелкодисперсной биомассы для когенерационных установок малой мощности: Автореф. дис. канд. техн. наук. Днипро, 2015.Kremneva K.V. Increasing the efficiency of a two stage gasification process of finely dispersed biomass for cogeneration units of low power (Pidvyshchennja efectyvnosti dvostadijnogo protsesu gazyfikatsii dribnodyspersnoi biomasy dlja kogeneratsijnych ustanovok maloi potuzhnosti): Avtoref. dis. kand. teh. nauk. Dnipro, 2015 (in Ukr.).Клюс С.В. Энергоэффективное преобразование биомассы в горючий газ и биоуголь в газогенераторах плотного слоя топлива: Автореф. дис. канд. техн. наук. Киев, 2016.Klius S.V. Energy-efficient conversion of biomass into gas fuel and biocoal in dense layer bad gasifier (Energoefectyvne peretvorennja biomasy v gorjuchyj gaz i biovugillja v gazogeneratorach shchiljnogo sharu palyva): Avtoref. dis. kand. teh. nauk. Kyiv, 2016 (in Ukr.).Пьяных К.Е. Развитие научных основ технологий замещения природного газа альтернативными топливами: Автореф. дис. докт. техн. наук. Киев, 2017.Pianykh K.E. Development of scientific bases of technologies for replacing of natural gas with alternative fuels (Rozvytok naukovykh osnov tekhnologij zamishchennja pryrodnogo gazu alternatyvnymy palyvamy): Avtoref. dis. dokt. teh. nauk. Kyiv, 2017 (in Ukr.).Забарный, Г.Н. Использование растительных отходов для производства энергии [Текст] / Г.Н. Забарный, С.В. Клюс, Д.С. Довженко // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). – 2011. – № 8. – С. 100–106.Zabarny G.N., Klius S.V., Dovzhenko D.S. The use of the plant waste for the energy production (Ispolzovanie rastitelnyh otkhodov dla proizvodstva energii). International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology (ISJAEE), 2011;(8):100–106 (in Russ.).Клюс, С.В. Оценка и прогноз потенциала твердого биотоплива Украины [Текст] / С.В. Клюс, Г.Н. Забарный // Компрессорное и энергетическое машиностроение. – 2011. – № 2 (24). – С. 8–13.Klius S.V., Zabarny G.N. Estimation and forecast of the solid biofuel potential in Ukraine (Otsenka i prognoz potentsiala tviordogo biotopliva Ukrainy). The compressor and power engineering (Kompressornoje i energeticheskoje mashinostrojenije), 2011;2(24):8–13 (in Russ.).Кремнева, Е.В. Разработка энергосберегающей технологии двухстадийной газификации биомассы для когенерационных установок [Текст] / Е.В. Кремнева // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2014. – № 6/8 (72). – С. 40–47.Kremneva E.V. Development of energy-saving technology of bi-phase biomass gasification for cogeneration plants (Razrabotka energosberegayushchei tehnologii dvuhstadiinoi gazifikatsii biomassy dla kogeneratsionnyh ustanovok). East-European Journal of Advanced Technologies, 2014;6/8(72):40–47 (in Russ.).Кремнева, Е.В. Исследование процесса пиролиза биомассы в плотном слое с учетом вторичной реакции разложения смолы / Е.В. Кремнева // Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика: сборник научных трудов. – Днепропетровск, 2011. – Вып. 3. – С. 142–154.Kremneva E.V. An investigation of the process of pyrolysis of biomass in a dense layer, taking into account the secondary reaction of decomposition of resin (Issledovanie protsessa piroliza biomassy v plotnom sloe s uchotom vtorichnoi reaktsii razlozheniya smoly). Technical Thermophysics and Industrial Heat Power Engineering: a collection of scientific papers (Technicheskaya teplofizika i promyshlennaya teploenergetika: sbornik nauchnych trudov), 2011;(3):142–154 (in Russ.).Карп, И.Н. Результаты лабораторных и промышленных испытаний газогенераторов периодического типа действия [Текст] / И.Н. Карп [и др.] // Инженерно-физический журнал. – 2015. – Т. 88. – № 3. – С. 722–729.Karp I.N., Pianykh K.E., Antoshchuk T.A., Lysenko A.A. The results of laboratory and industrial tests of gas generators of periodic type action (Rezul’taty laboratornyh i promyshlennyh ispytanii gazogeneratorov periodicheskogo tipa deistviya). Engineering and Physics Journal (Inzhenerno-fizicheskii zhurnal), 2015;88(3):722–729 (in Russ.).Пьяных, К.Е. Газификация как метод переработки отходов [Текст] / К.Е. Пьяных // Энерготехнологии и ресурсосбережение. – 2015. – № 2. – С. 12–17.Pjanykh K.E. Gasification as a method of waste treatment (Gazifikatsiya kak metod pererabotki othodov). Energotekhnologii i resursosberezhenie, 2015;(2):12–17 (in Russ.).Пат.122843 Украина, МПК (2017.01) F 24 B 1/00; F 24 C 15/00. Плита бытовая газогенераторная / Клюс В.П., Клюс С.В.; заявитель и патентообладатель Институт возобновляемой энергетики Национальной академии наук Украины. – № u 201708607; заявл. 23.08.2017; опубл. 25.01.2018, Бюл. № 2. – 4 с.Klius V.P., Klius S.V.; the applicant and the patent holder The Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine. Patent 122843 Ukraine, IPC (2017.01) F 24 B 1/00; F 24 C 15/00. The household gas-generator stove (Plita bytovaja gazogeneratornaja) / 2018, Bul. no. 2; 4 p. (in Russ.).Исламов, С.Р. О новой концепции использования угля [Текст] / С.Р. Исламов // Уголь. – 2007. – № 5. – С. 67–69.Islamov S.R. On the new concept of coal use (O novoi kontseptsii ispolzovaniya uglya). Coal (Ugol’), 2007;(5):67–69 (in Russ.).Степанов, С.Г. Технология совмещенного производства полукокса и горючего газа и угля [Текст] / С.Г. Степанов, С.Р. Исламов, А.Б. Морозов // Уголь. – 2002. – № 6. – С. 27–29.Stepanov S.G., Islamov S.R., Morozov A.B. The technology of combined production of semi-coke and combustible gas and coal (Tehnologiya sovmeshchonnogo proizvodstva polukoksa i goryuchego gaza i uglya). Coal (Ugol’), 2002;(6):27–29 (in Russ.).Исламов, С.Р. Энерготехнологическая переработка углей / С.Р. Исламов. – Красноярск: Поликор, 2010. – 224 с.Islamov S.R. The energotechnological processing of coals (Energotechnologicheskaya pererabotka uglei). – Krasnoyarsk: Polikor Publ., 2010; 224 p. (in Russ.).Исламов С.Р. Энергоэффективное использование бурых углей на основе концепции «Термококс»: Автореф. дис. докт. техн. наук. Красноярск, 2010.Islamov S.R. An energy-efficient use of brown coal based on the concept of “Thermocox” (Energoeffectivnoe ispolzovanie buryh uglei na osnove kontseptsii “Termokoks”): Avtoref. dis. dokt. tech. nauk. Krasnoyarsk, 2010 (in Russ.).Гроо А.А. Интенсификация процессов теплои массообмена при слоевой газификации угля с использованием обратного дутья: Автореф. дис. канд. техн. наук. Новосибирск, 2007.Groo A.A. The intensification of heat and mass transfer processes at layer coal gasification using reverse blowing (Intensifikatsiya protsessov teploi massoobmena pri sloevoi gazifikatsii uglya s ispolzovaniem obratnogo dut’a): Avtoref. dis. kand. tech. nauk. Novosibirsk, 2007 (in Russ.).Померанцев, В.В. Основы практической теории горения / В.В. Померанцев. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 312 с.Pomerantsev V.V., Arefiev K.I., Ahmedov D.B. Fundamentals of Practical Combustion Theory (Osnovy prakticheskoi teorii goreniya). Leningrad: Energoatomizdat Publ., 1986; 312 p. (in Russ.).Яворский, И.А. Физико-химические основы горения твердых ископаемых топлив и графитов / И.А. Яворский. – Новосибирск: Наука, 1973. – 291 с.Yavorsky I.A. The physical and chemical bases of combustion of solid fuels and graphites (Fiziko-himicheskie osnovy gorenia tverdych iskopaemyh topliv i grafitov). Novosibirsk: Nauka Publ., 1973; 291 p. (in Russ.).Канторович, Б.В. Основы теории горения и газификации твердого топлива / Б.В. Канторович. – М.: Изд-во АН СССР, 1958. – 593 с.Kantorovich B.V. Fundamentals of the theory of combustion and gasification of solid fuel (Osnovy teorii goreniya i gazifikatsii tverdogo topliva). Moscow: Izd. AN SSSR Publ, 1958; 593 p. (in Russ.).Лавров, Н.В. Введение в теорию горения и газификации топлива / Н.В. Лавров, А.П. Шурыгин. – М.: Изд-во АН СССР, 1962. – 215 с.Lavrov N.V., Shurygin A.P. Introduction to the theory of combustion and gasification of fuel (Vvedenie v teoriu gorenia i gazifikatsii topliva). Moscow: Izd. AN SSSR Publ, 1962; 215 p. (in Russ.).ГОСТ Р 50696-2006. Приборы газовые бытовые для приготовления пищи. Общие технические требования и методы испытаний. – Введ. 2007-01-01. – М.: Стандартинформ, 2006. – 76 с.GOST R 50696-2006. Gas domestic appliances for cooking. General technical requirements and test methods (Pribory gazovye bytovye dla prigotovleniya pishchi. Obshchie tehnicheskie trebovoniya i metody ispytanii). Impl. 2007-01-01. Moscow: Standardinform Publ., 2006; 76 p. (in Russ.).ГОСТ Р 54212-2010. Биотопливо твердое. Методы подготовки проб. – Введ. 2012-07-01. – М.: Стандартинформ, 2012. – 15 с.GOST R 54212-2010. Solid biofuel. The methods of sample preparation (Biotoplivo tverdoe. Metody podgotovki prob). Enter. 2012-07-01. Moscow: Standardinform Publ., 2012; 15 p. (in Russ.).ГОСТ Р 54186-2010. Биотопливо твердое. Определение содержания влаги высушиванием. Часть 1. Общая влага. Стандартный метод. – Введ. 2012-07-01. – М.: Стандартинформ, 2012. – 7 с.Solid biofuel. The determination of moisture content by drying. Part 1. Total moisture. Standard method: GOST R 54186-2010 (EN 14774-1: 2009) (Biotoplivo tverdoe. Opredelenie soderzhaniya vlagi vysushivaniem. Chast’ 1. Obshchaya vlaga. Standartnyi metod: GOST R 54186-2010 (EN 14774-1: 2009). Impl. 2012-07-01. Moscow: Standardinform Publ., 2012; 7 p. (in Russ.).ГОСТ Р 54185-2010. Биотопливо твердое. Определение зольности. – Введ. 2012-07-01. – М.: Стандартинформ, 2012. – 8 с.Solid biofuel. The definition of ash content: GOST R 54185-2010 (EN 14775: 2009) (Biotoplivo tverdoe. Opredelenie zol’nosti: GOST R 54185 2010 (EN 14775: 2009). Impl. 2012-07-01. Moscow: Standardinform Publ., 2012; 8 p. (in Russ.).ГОСТ Р 54220-2010. Биотопливо твердое. Технические характеристики и классы топлива. Часть 1. Общие требования. – Введ. 2012-07-01. – М.: Стандартинформ, 2012. – 42 с.Solid biofuel. Specifications and fuel classes. Part 1. General requirements: GOST R 54220-2010 (ЕN 14961-1: 2010) (Biotoplivo tverdoe. Tehnicheskie harakteristiki i klassy topliva. Chast’ 1. Obshchie trebovaniya: GOST R 54220-2010 (EN 14961-1:2010). Impl. 2012-07-01. Moscow: Standardinform Publ., 2012; 42 p. (in Russ.).Осьмак, А.А. Растительная биомасса как органическое топливо [Текст] / А.А. Осьмак, А.А. Серегин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий (ISSN 1729-3774). – 2014. – Т. 2/8(68). – С. 57–61.Osmak A.A., Seregin A.A. The vegetable biomass as an organic fuel (Rastitelnaya biomassa kak organicheskoe toplivo). East European Journal of Advanced Technologies, 2014;2/8(68):57–61 (in Russ.).Тепловой расчет котлов (нормативный метод). – 3-е изд. – СПб: Изд-во НПО ЦКТИ, 1998. – 256 с.The thermal calculation of boilers (normative method) (Teplovoi raschet kotlov (normativnyi metod). – 3rd ed. SPb: Publishing housе of NPO CKTI (Izd-vo NPO CKTI), 1998; 256 p. (in Russ.).

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