probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2022-24-5-136-146probener-2421Research ArticleТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКАTHEORETICAL AND APPLIED HEAT ENGINEERINGОсобенности горения твердотопливной смеси на основе углей разной степени метаморфизма регионов Енисейской СибириResearch of combustion of solid fuel mixture based on coals of different degrees of metamorphism in the regions of Yenisei Siberiahttps://orcid.org/0000-0001-9809-8285ЖуйковА. В.ZhuikovA. V.

Жуйков Андрей Владимирович – заведующий учебно-научной лабораторией кафедры теплотехники и гидрогазодинамики 

г. Красноярск

Andrey V. Zhyukov

Krasnoyarsk

azhuikov@sfu-kras.ruМатюшенкоА. И.MatyushenkoA. I.

Матюшенко Анатолий Иванович – д-р, техн. наук., профессор, заведующий кафедрой ИСЗИС 

г. Красноярск

Anatoly I. Matyushenko

Krasnoyarsk

КулагинВ. А.KulaginV. A.

Кулагин Владимир Алексеевич – д-р, техн. наук., профессор, заведующий кафедрой ТТиГГД 

г. Красноярск

Vladimir A. Kulagin

Krasnoyarsk

ЛогиновД. А.LoginovD. A.

Логинов Дмитрий Александрович – Начальник отдела  

г. Красноярск

Dmitry A. Loginov

Krasnoyarsk

Сибирский федеральный университетРоссияSiberian Federal UniversityRussian FederationООО «Сибнииуглеобогощение»РоссияOOO «Sibniiugleobogoschenie»Russian Federation202209122022245136146Copyright © Жуйков А.В., Матюшенко А.И., Кулагин В.А., Логинов Д.А., 20222022Жуйков А.В., Матюшенко А.И., Кулагин В.А., Логинов Д.А.Zhuikov A.V., Matyushenko A.I., Kulagin V.A., Loginov D.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/2421

ЦЕЛЬ. Исследовать процесс горения двух углей разной степени метаморфизма и их смесей с применением термогравиметрического анализа, основанного на изменении массы и скорости изменения массы в процессе нагрева топлив. Определить основные характеристики топлив и процесса горения (температуры воспламенения и выгорания коксового остатка). Провести качественный анализ поверхности топливных частиц двух разных углей с помощью сканирующей электронной микроскопии на наличие пор и трещин. Определить склонность к шлакованию угольных смесей. МЕТОДЫ. При решении поставленных задач применялся термогравиметрический метод, электронный метод и метод расчета, на основе проведенного валового химического анализа минеральной части углей и их смесей. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье представлен краткий обзор по сжиганию непроектных топлив на теплоэлектростанциях. Приведены результаты технического и элементного анализа черногорского каменного угля и балахтинского бурого угля. Описана методика определения температуры воспламенения и выгорания коксового остатка. Представлены термограммы процесса горения двух углей разной степени метаморфизма и их смесей. Определены основные характеристики их горения. Показан качественный анализ поверхности топливных частиц на наличие пор и трещин. Проведен расчёт склонности к шлакованию угольных смесей. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. И черногорский и балахтинский уголь имеют высокий выход летучих веществ и среднюю теплоту сгорания. По степени метаморфизма отличаются незначительно, показатели их технического и элементного анализа близки по своим значениям. Термогравиметрический анализ показал более раннее воспламенение балахтинского бурого угля по сравнению с черногорским каменным углем. При увеличении доли балахтинского угля в угольной смеси профиль кривых горения смещается в область более низких температур. Добавление 25% балахтинского угля снижает температуру воспламенения черногорского угля на 16%, с увеличением доли балахтинского угля в смеси температура воспламенения не изменяется. Расчет склонности угольной смеси к шлакованию применяя основные оксиды, содержащиеся в минеральной части золы исследуемых углей, показал, что балахтинский уголь имеет высокую склонность к шлакованию топочных экранов в отличие от черногорского каменного угля, поэтому увеличение массовой его доли в угольной смеси увеличивает склонность к шлакованию топочных экранов.

THE PURPOSE. Consider the combustion process of two coals of different degrees of metamorphism and their mixtures using thermogravimetric analysis based on the change in mass and the rate of change in mass during the heating of fuels. Determine the main characteristics of fuels and the combustion process (temperature of ignition and burnout of the coke residue). Determine the tendency to slagging of coal mixtures. METHODS. When solving the tasks, the thermogravimetric method (TGA). RESULTS. The article provides a brief overview of the combustion of non-design fuels at thermal power plants. The results of technical and elemental analysis of Chernogorsk bituminous coal and Balakhta brown coal are presented. A technique for determining the ignition temperature and burnout of the coke residue is described. The thermograms of the combustion process of two coals of different degrees of metamorphism and their mixtures are presented. The main characteristics of their combustion have been determined. A qualitative analysis of the surface of fuel particles for the presence of pores and cracks is shown. The calculation of the tendency to slagging of coal mixtures has been carried out. CONCLUSION. Thermogravimetric analysis showed an earlier ignition of the Balakhta brown coal in comparison with the Montenegrin bituminous coal. With an increase in the proportion of Balakhta coal in the coal mixture, the profile of the combustion curves shifts to the region of lower temperatures. The addition of 25% Balakhta coal reduces the ignition temperature of Chernogorsk coal by 16%, with an increase in the proportion of Balakhta coal in the mixture, the ignition temperature does not change. Balakhta coal has a high tendency to slagging furnace walls, in contrast to Chernogorsk coal, therefore, an increase in its mass fraction in the coal mixture increases the tendency to slagging furnace screens.

угольстепень метаморфизмаугольные смесишлакование топочных экрановтермогравиметрический анализcoaldegree of metamorphismcoal mixturesslagging of furnace wallsthermogravimetric analysis (TGA)«Исследование выполнено при финансовой поддержке Красноярского краевого фонда науки в рамках проекта «Концепция развития теплоэнергетики Красноярского края»».ReferencesZhou H., Bhattarai R., Li Y., et al. Towards sustainable coal industry: Turning coal bottom ash into wealth // Science of the Total Environment. 2022. V. 804, N149985. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.149985Zhou H, Bhattarai R, Li Y, et al. Towards sustainable coal industry: Turning coal bottom ash into wealth. Science of the Total Environment. 2022;804:149985. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.149985.Капустянский А.А. Исследование факельного сжигания непроектных бинарных угольных смесей в паровых котлах // Теплоэнергетика. 2017. №7. С. 83–90.Kapustyanskii A.A. Study of flame combustion of off-design binary coal blends in steam boilers. Thermal Engineering. 2017; 64(7):534–541. DOI 10.1134/S0040601517070023.Росляков П.В., Зайченко М.Н., Мельников Д.А. и др. Использование углей для совместного сжигания с Эстонскими сланцами // Теплоэнергетика. 2016. №3. С. 34–42.Roslyakov PV, Zaichenko MN, Melnikov DA, et al. Use of coals for co-combustion with Estonian shale oil. Thermal Engineering. 2016;63(3):188–196. doi 10.1134/S0040601516030101.Гребеньков П.Ю., Козлов С.Г., Выхристюк М.Н. и др. Использование угля марки 3БР на котлах БКЗ-160-1,4-5 с мельницами-вентиляторами и газовой сушкой // Электрические станции. 2016. №11. С. 13–18.Greben’kov PY, Kozlov SG, Vykhristyuk MN, et al. Use of 3BR Grade Coal in BKZ- 160-1,4-5 Boilers with Mill-Fans and Gas Drying. Power Technology and Engineering. 2017; 51(1):13–18. doi 10.1007/s10749-017-0787-y.Yao H., He B., Ding G., et al. Thermogravimetric analyses of oxy-fuel co-combustion of semi-coke and bituminous coal // Appl. Therm. Eng. 2019. V. 156. pp. 708–721. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.04.115Yao H, He B, Ding G, et al. Thermogravimetric analyses of oxy-fuel co-combustion of semi-coke and bituminous coal. Appl. Therm. Eng. 2019; 156:708–721. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.04.115.Zheng S., Hu Y., Wang Z., et al. Experimental investigation on ignition and burnout characteristics of semi-coke and bituminous coal blends // J. Energy Inst. 2020. V. 93, N4. pp. 1373–1381. DOI: 10.1016/j.joei.2019.12.007Zheng S, Hu Y, Wang Z, et al. Experimental investigation on ignition and burnout characteristics of semi-coke and bituminous coal blends. J. Energy Inst. 2020; 93(4):1373–1381. doi: 10.1016/j.joei.2019.12.007.Santhosh Raaj S., Arumugam S., Muthukrishnan M., et al. Characterization of coal blends for effective utilization in thermal power plants // Appl. Therm. Eng. 2016. V.102. pp. 9– 16. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.03.035Santhosh Raaj S, Arumugam S, Muthukrishnan M, et al. Characterization of coal blends for effective utilization in thermal power plants. Appl. Therm. Eng. 2016;102:9–16. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2016.03.035.Ma L., Yu S., Chen X., et al. Combustion interactions in oxy-fuel firing of coal blends: An experimental and numerical study // J. Energy Inst. 2021. V. 94. pp. 11–21. doi: 10.1016/j.joei.2020.10.007Ma L, Yu S, Chen X, et al. Combustion interactions in oxy-fuel firing of coal blends: An experimental and numerical study. J. Energy Inst. 2021; 94:11–21. doi: 10.1016/j.joei.2020.10.007.Wang H., Zhang J., Wang G., et al. Characteristics and kinetic analysis of co-combustion of brown coal and anthracite // J. Therm. Anal. Calorim. 2016. V. 126, N2. pp. 447–454. doi: 10.1007/s10973-016-5557-9Wang H, Zhang J, Wang G, et al. Characteristics and kinetic analysis of co-combustion of brown coal and anthracite. J. Therm. Anal. Calorim. 2016; 126(2):447–454. doi: 10.1007/s10973-016-5557-9.Niu, S.-L., Han, K.-H., Lu, C.-M. Characteristic of coal combustion in oxygen/carbon dioxide atmosphere and nitric oxide release during this process // Energy Convers. Manag. 2011. V.52, N1, pp. 532–537. doi: 10.1016/j.enconman.2010.07.028Niu S-L, Han K-H, Lu C-M. Characteristic of coal combustion in oxygen/carbon dioxide atmosphere and nitric oxide release during this process. Energy Convers. Manag. 2011; 52(1):532–537. doi: 10.1016/j.enconman.2010.07.028.Guo L., Zhai M., Wang Z., et al. Comparison of bituminous coal and lignite during combustion: Combustion performance, coking and slagging characteristics // J. Energy Inst. 2019. V. 92, N3. pp. 802–812. doi: 10.1016/j.joei.2018.02.004Guo L, Zhai M, Wang Z, et al. Comparison of bituminous coal and lignite during combustion: Combustion performance, coking and slagging characteristics. J. Energy Inst. 2019; 92(3):802–812. doi: 10.1016/j.joei.2018.02.004.Han J., Xiong Z., Zhao B., et al. A prediction of arsenic and selenium emission during the process of bituminous and lignite coal co-combustion // Chem. pap. 2020. V. 74, N7. pp. 2079–2089. doi: 10.1007/s11696-020-01058-9Han J, Xiong Z, Zhao B, et al. A prediction of arsenic and selenium emission during the process of bituminous and lignite coal co-combustion. Chem. pap. 2020;74(7):2079–2089. doi: 10.1007/s11696-020-01058-9.Zhang L., Zou C., Wu D., et al. A study of coal chars combustion in O2/H2O mixtures by thermogravimetric analysis // J. Therm. Anal. Calorim. 2016. V. 126, N2. pp. 995–1005. doi: 10.1007/s10973-016-5536-1Zhang L, Zou C, Wu D, et al. A study of coal chars combustion in O2/H2O mixtures by thermogravimetric analysis. J. Therm. Anal. Calorim. 2016;126(2):995–1005. doi: 10.1007/s10973-016-5536-1.Khatami R., Levendis Y.A. An overview of coal rank influence on ignition and combustion phenomena at the particle level // Combust. Flame. 2016 V. 164. pp. 22–34. doi: 10.1016/j.combustflame.2015.10.031Khatami R, Levendis YA. An overview of coal rank influence on ignition and combustion phenomena at the particle level. Combust. Flame. 2016;164:22–34. doi: 10.1016/j.combustflame.2015.10.031.Жуйков А.В. Матюшенко А.И., Кузнецов П.Н. и др. Термогравиметрический анализ горения каменных углей Республики Хакасия, сосновых опилок и их смесей // Журнал Сибирского федерального университета Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 14. № 6. С. 611–622.Zhuikov AV, Matyushenko AI, Kuznetsov PN, et al. Thermogravimetric Analysis of the Combustion. of Khakassia Coal, Pine Sawdust and their Blends. Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2021;14(6):611–622. doi: 10.17516/1999-494X-0338.Glushkov D.O., Matiushenko A.I., Nurpeiis A.E., et al. An experimental investigation into the fuel oil-free start-up of a coal-fired boiler by the main solid fossil fuel with additives of brown coal, biomass and charcoal for ignition enhancement // Fuel Process. Technol. 2021. V. 223. N106986. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2021.106986.Glushkov DO, Matiushenko AI, Nurpeiis AE, et al. An experimental investigation into the fuel oil-free start-up of a coal-fired boiler by the main solid fossil fuel with additives of brown coal, biomass and charcoal for ignition enhancement. Fuel Process. Technol. 2021; 223(106986). https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2021.106986.Алехнович А.Н., Богомолов В.В. Применение смесей углей на ТЭС для расширения топливной базы и решения вопросов экологии // Электрические станции. 2010. №4. С. 2–8.Alekhnovich AN, Bogomolov VV. Use of coal blends at thermal power plants. Power Technology and Engineering. 2010;44(3):213–219. doi 10.1007/s10749-010-0167-3Zheng S., Hu Y., Wang Z., Cheng X. Experimental investigation on ignition and burnout characteristics of semi-coke and bituminous coal blends // J. Energy Inst. 2020. V. 93. P. 1373. doi 10.1016/j.joei.2019.12.007Zheng S, Hu Y, Wang Z, et al. Experimental investigation on ignition and burnout characteristics of semi-coke and bituminous coal blends. J. Energy Inst. 2020;93:1373. doi 10.1016/j.joei.2019.12.007.Bala-Litwiniak A, Zajemska M. Computational and experimental study of pine and sunflower husk pellet combustion and co-combustion with oats in domestic boiler // Renew. Energy. 2020. V. 162. P. 151. doi 10.1016/j.renene.2020.07.139Bala-Litwiniak A, Zajemska M. Computational and experimental study of pine and sunflower husk pellet combustion and co-combustion with oats in domestic boiler. Renew. Energy. 2020; 162:151. doi 10.1016/j.renene.2020.07.139.Богомолов А.Р., Петров И.Я, Жалмагамбетова У.К. Термический анализ углей казахстанских месторождений // Теплоэнергетика. 2020. №3. С. 24–32.Bogomolov AR, Petrov IY, Zhalmagambetova UK. Thermal Analysis of Coals from Kazakhstan Deposits. Thermal Engineering. 2020;67(3):165–172. doi 10.1134/S0040601520030015.Алехнович А.Н., Богомолов В.В., Гладков В.Е. и др. Шлакование и образование отложений в газовом тракте котла // Теплоэнергетика. 1997. №3. С.64–68.Alekhnovich AN, Bogomolov VV, Gladkov VE, et al. Slagging and deposition formation in the gas channel of a boiler. Teploenergetika. 1997;3:64–68.Алехнович А.Н., Талова В.М., Богомолов В.В. и др. Исследования энергетических углей методом химического фракционирования и оценка их загрязняющих свойств // Теплоэнергетика. 2001. №5. С. 55–63.Alekhnovich AN, Talova VM, Bogomolov VV, et al. Investigations of powergenerating coals by the method of chemical fractionation and an estimate of their fouling properties. Thermal Engineering. 2001;48(5):401–409.

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