probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2024-26-1-151-164probener-2973Research ArticleТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ТЕПЛОТЕХНИКАTHEORETICAL AND APPLIED HEAT ENGINEERINGЗакономерности зажигания и горения смесей низкосортного угля с пиролизной жидкостьюFeatures of ignition and combustion of low-grade coal mixed with pyrolysis liquidhttps://orcid.org/0000-0002-9732-9093СлюсарскийК. В.SlyusarskiyK. V.

Константин Витальевич Слюсарский, канд. физ.-мат. наук, доцент

Инженерная школа энергетики

Томск; Кемерово

Konstantin V. Slyusarskiy

Tomsk; Kemerovo

konstantinsv@tpu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3100-4261АсильбековА. К.AsilbekovA. K.

Аскар Кумисбекович Асильбеков, младший научный сотрудник

лаборатория перспективных материалов энергетической отрасли

Томск

Askar K. Asilbekov

Tomsk

aka2@tpu.ruТомский политехнический университет; Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. ГорбачёваРоссияTomsk polytechnic university; T. F. Gorbachev Kuzbass State Technical UniversityRussian FederationТомский политехнический университетРоссияTomsk polytechnic universityRussian Federation202424042024261151164Copyright © Слюсарский К.В., Асильбеков А.К., 20242024Слюсарский К.В., Асильбеков А.К.Slyusarskiy K.V., Asilbekov A.K.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/2973

   АКТУАЛЬНОСТЬ исследования заключается в необходимости использования пиролизной жидкости переработки древесины для сжигания в котлах средней и малой мощности в составе смесей с углем. Непредсказуемость свойств зажигания и горения подобных смесей, а также отсутствие расчетных методик предопределила преимущественно экспериментальный подход к исследованию данных процессов. При этом для широкого внедрения подобных технологических решений на практике необходимо наличие относительно простых методик оценки характеристик зажигания и горения данных компонент.

   ЦЕЛЬ

   ЦЕЛЬ. Синтезировать образцы пиролизной жидкости из древесины двух видов, провести из характеризацию. Разработать экспериментальную методику определения характеристик зажигания и горения полученной пиролизной жидкости в составе смеси с низкореакционным углем. Провести исследования времен задержки зажигания и состава выделяющихся газофазных продуктов. Определить основные механизмы действия компонент смеси низкосортного угля с пиролизной жидкостью при зажигании и горении.

   МЕТОДЫ

   МЕТОДЫ. Исследование проводилось с использованием экспериментальной методики на основании высокотемпературной муфельной печи, оснащенной высокоскоростной видеокамерой ипроточным газоанализатором.

   РЕЗУЛЬТАТЫ

   РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье представлены зависимости времен задержки зажигания и концентрационные кривые выделения газофазных продуктов реакции горения смесей низкосортного угля и пиролизной жидкости двух видов в диапазоне температур греющей среды 600-800 °С и концентраций добавок от 0 до 20 масс. %. Получены аппроксимационные зависимости времен задержки зажигания от концентрации добавки, сформулирован механизм действия добавки при горении.

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Установлено, что с линейным увеличением содержания пиролизной жидкости в смеси наблюдалось относительно постоянное снижение значений характерных времен задержки зажигания, в то время как количество формируемых газофазных продуктов менялось аддитивно относительно состава смеси. Вид концентрационных кривых выделения СО и NOx свидетельствует о независимом действии компонент смеси. Предложен механизм действия добавок, основанный на значительном вкладе процесса испарения пиролизной жидкости с последующим горением в газовой фазе, инициирующим зажигания угля.

THE RELEVANCE of the study lies in the need to use pyrolysis liquid from wood processing for combustion in boilers of medium and low power as part of mixtures with coal. The unpredictability of the ignition and combustion properties of such mixtures, as well as the lack of calculation methods, predetermined a predominantly experimental approach to the study of these processes. At the same time, for the widespread implementation of such technological solutions in practice, it is necessary to have relatively simple methods for assessing the ignition and combustion characteristics of these components. THE PURPOSE. Synthesize samples of pyrolysis liquid from two different sorts of wood and perform their characterization. Develop an experimental method for studying ignition and combustion characteristics of pyrolysis liquid mixed with low-reactivity coal. Perform research on ignition delay times and the composition of released gas-phase products. Determine the main mechanisms of action of the components in the mixture of low-grade coal with pyrolysis liquid they’re during ignition and combustion. METHODS. The study was carried out using an experimental technique based on a high-temperature muffle furnace equipped with a high-speed video camera and a once-through gas analyzer. RESULTS. The article presents the dependences of the ignition delay times and the concentration curves of gas-phase products released during combustion of mixtures of low-grade coal and two types of pyrolysis liquid in the temperature range of the heating medium 600-800 °C and additive concentrations from 0 to 20 wt.%. Linear approximation dependences of ignition delay times on additive concentrations were obtained, and the mechanism of action of the additive during combustion was formulated. CONCLUSION. It was found that an increase in the concentration of the additive in the mixture leads to a stable decrease in the ignition delay times, while the amount of gas-phase products formed varied additively with respect to the composition of the mixture. The shape of the concentration curves for the release of CO and NOx indicates the independent action of the components of the mixture. The mechanism of action of additives was proposed. It was based on significant contribution of their evaporation process followed by combustion in the gas phase, which, in turn, initiats the ignition of coal.

угольпиролизная жидкостьзажиганиегорениегазофазные продуктысмесь топливмеханизм зажиганияcoalpyrolysis liquidignitioncombustiongas-phase productsfuel mixtureignition mechanismReferencesИсхаков, Т.Д., Башкиров, В.Н., Грачев, А.Н., и др. Энерго- и ресурсосбережение при утилизации отработанных деревянных шпал методом пиролиза // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2008. Т. 11. № 12. С. 155–158.Iskhakov TD, Bashkirov VN, Grachev AN, et al. Energy and resource-saving at utilization of wooden cross ties by the method of pyrolysis. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2008; 11(12):155–158. (In Russ).Таймаров, М.А., Чикляев, Е.Г. Разработка прямоточной пиролизной установки для пирогенетического разложения древесины // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020. Т. 22. № 6. С. 68–78. doi: 10.30724/1998-9903-2020-22-6-68-78Taimarov MA, Chiklyaev EG. Development of a direct flow pyrolysis plant for pyrogenetic decomposition of wood. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2020; 22(6):68–78. (In Russ). doi: 10.30724/1998-9903-2020-22-6-68-78Таймаров, М.А., Долгова, А.Н., Садртдинов, А.Р. Энергосберегающая установка для получения пиролизного газа и древесного угля // Вестник КГЭУ. 2018. Т. 39. № 3. С. 56–64.Taimarov M, Dolgova A, Sadrtdinov A. Energy-saving installation for pyrolysis gas and tree coal. Proceedings of the Kazan State Energy University. 2018; 39(3);56–64. (In Russ).Грачев, А.Н., Сафин, Р.., Таймаров, М.А., и др. Исследование свойств жидкого продукта быстрого пиролиза отходов деревообработки // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2009. Т 11. № 12. С. 80–83.Grachev AN, Safin RG, Taymarov МА, et al.. Study in the characteristics of the liquid product of fast pyrolysis of wood processing waste. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2009; 11-12:80–83. (In Russ).Кузнецов, И.С., Тищенков, Н.М., Ребиков, Е.В. и др. Обзор современных технологий применения пиролиза // Естественные и технические науки. 2022. Т. 164. № 1. С. 216–218.Kuznetsov IS, Tishchenkov NM, Rebikov EV, et al. Overview of modern pyrolysis application technologies. Natural and technical sciences. 2022; 164(1):216–218. (In Russ).Бикбулатова, Г.М., Валеева, А.Р., Сабирзянова, А.И. Получение химических продуктов из суммарных жидких продуктов быстрого пиролиза древесины // Материалы XI Международной молодежной научной конференции «Молодежь и XXI век»; 18-19 февраля 2021 г., Курск. Курск.: Юго-Западный государственный университет, 2021. С. 324-326.Bikbulatova GM, Valeeva AR, Sabrizyanova AI. Poluchenie khimicheskikh produktov iz summarnikh zidkikh produktov bistrogo piroliza drevesini. In: Razumov XI Mezhdunaodnaya molodeznaya konferencia “Molodezh I XXI vek”; 18-19 Feb 2021; Kursk, Russia. Kursk: Yugo-Zapandyi gosudarstennyi universitet Publ., 2021. Pp.324-326. (In Russ).Файзрахманова, Г.М., Забелкин, С.А., Грачев, А.Н., и др. Иcпользование древесной пиролизной жидкости для получения химических продуктов // Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 15 (15). С. 101–103.Faizrahmanova GM, Zabelkin SA, Grachev AN, et al. Ispolzovanie drevesnoi piroliznoi zhidkosti dlia polucheniya khimicheskikh produktov. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2012; 15(15):101–103. (In Russ).Слюсарский, К.В., Ларионов, К.Б., Ивашкина, Е.Н., и др. Технологические решения по утилизации жидких продуктов медленного пиролиза древесной биомассы // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов 2021. Т. 332. № 12. С. 173–188. doi: 10.18799/24131830/2021/12/3439Slyusarsky KV, Larionov KB, Ivashkina EN, et al. Technological solutions for utilization of liquid products of slow wood biomass pyrolysis. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering. 2021; 332(12):173–188. (In Russ). doi: 10.18799/24131830/2021/12/3439Манигомба, Ж.А., Чичирова, Н.Д., Груздев, В.Б. Перспективы использования продуктов пиролиза в дизель-генераторах промышленной группы «Regideso» в Республике Бурунди // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2018. Т. 20. № 1-2. С. 33–40.Manigomba ZhA, Chichirova N, Gruzdeyv V. Prospects for the use of the products of pyrolysis in diesel generators of a company "Regideso" in the Republic of Burundi. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2018; 20(1-2):33–40. (In Russ).Тимербаев, Н.Ф., Сафин, Р.Г., Зиатдинова, Д.Ф., и др. Теоретические и экспериментальные исследования тепло- и массообмена при термохимической переработке органических отходов в активированный уголь // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2019. № 4 (44). С. 76-86.Timerbaev NF, Safin RG, Ziatdinova DF, et al. Theoretical and experimental studies of heat and mass exchange during thermochemical processing of organic waste in activated coal. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo ehnergeticheskogo universiteta. 2019; 44(4):76-86. (In Russ).Слюсарский, К.В., Ларионов, К.Б., Асильбеков, А., и др. Исследование закономерностей окисления и зажигания смесей пиролизной жидкости с низкореакционным углем // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2022. Т. 333. № 12. С. 140–150. doi: 10.18799/24131830/2022/12/3913Slyusarskiy KV, Larionov KB, Asilbekov A, et al. Study on oxidation and ignition of mixtures of pyrolysis liquids with low-reactivity coal. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering. 2022; 333(12):140–150. (In Russ). doi: 10.18799/24131830/2022/12/3913Грачев, А.Н., Башкиров, В.Н., Забелкин, С.А., и др. Исследование процесса быстрого пиролиза торфа и определение свойств получаемых продуктов // Деревообрабатывающая промышленность. 2018. № 4. С. 75-84.Grachev AN, Bashkorov VN, Zabelkin SA, et al. Issledovanie processa bistrogo piroliza torfa I opredelenie svojstv poluchaemikh produktov. Drevoobrabativauschaya promishlennost. 2018; 4:75-84. (In Russ).Забелкин, С.А., Грачёв, А.Н., Башкиров, В.Н. и др. Энергетическое использование пиролизной жидкости // Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 10. С. 369-374.Zabelkin SA, Grachev AN, Bashkirov VN, et al. Energeticheskoe ispolzovanie piroliznoy zhidkosti. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. 2010; (10):369-374. (In Russ).Xiong, Z., Wang, Y., Syed-Hassan, S.S.A., et al. Effects of heating rate on the evolution of bio-oil during its pyrolysis // Energy Conversion and Management. 2018. Vol. 163, pp. 420–427.Kuznetsov IS, Tishchenkov NM, Rebikov EV, et al. Overview of modern pyrolysis application technologies. Natural and technical sciences. 2022; 164(1):216–218. (In Russ).Cohen-Sacal D., Khan M.S., Broumand M., et al. Combustion and emission characterization of upgraded biomass fast pyrolysis oil in a swirl burner // Applications in Energy and Combustion Science. 2023. Vol. 13. pp. 100118.1-12. doi: 10.1016/j.jaecs.2023.100118Cohen-Sacal D, Khan MS, Broumand M, et al. Combustion and emission characterization of upgraded biomass fast pyrolysis oil in a swirl burner. Applications in Energy and Combustion Science. 2023; 13:100118.1-12. doi: 10.1016/j.jaecs.2023.100118Жуйков А.В., Матюшенко А.И., Кулагин В.А., и др. Особенности горения твердотопливной смеси на основе углей разной степени метаморфизма регионов енисейской Сибири // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022. Т. 24. № 5. С. 136-146. doi: 10.30724/1998-9903-2022-24-5-136-146Zhuikov AV, Matyushenko AI, Kulagin VA, et al. Research of combustion of solid fuel mixture based on coals of different degrees of metamorphism in the regions of yenisei Siberi. Proceedings of the higher educational institutions. ENERGY SECTOR PROBLEMS. 2022; 24(5):136-146. (In Russ). doi: 10.30724/1998-9903-2022-24-5-136-146Jones, J.M., Kubacki, M., Kubica, et al. Devolatilisation characteristics of coal and biomass blends // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2005. Vol. 74. pp. 502–511. doi: 10.1016/j.jaap.2004.11.018Jones J.M., Kubacki M., Kubica K., et al. Devolatilisation characteristics of coal and biomass blends. Journal of Analytical and. Applied Pyrolysis. 2005; 74:502–511. doi: 10.1016/j.jaap.2004.11.018Hroncová, E., Ladomerský, J., Musil, J. Problematic issues of air protection during thermal processes related to the energetic uses of sewage sludge and other waste. Case study: Co-combustion in peaking power plant // Waste Management. 2018. Vol. 73. pp. 574–580. doi: 10.1016/j.wasman.2017.08.025Hroncová E, Ladomerský J, Musil J. Problematic issues of air protection during thermal processes related to the energetic uses of sewage sludge and other waste. Case study: Co-combustion in peaking power plant. Waste Management. 2018; 73:574–580. doi: 10.1016/j.wasman.2017.08.025Глушков, Д.О., Стрижак, П.А., Чернецкий, М.Ю. Органоводоугольное топливо: проблемы и достижения (обзор) // Теплоэнергетика. 2016. № 10. С. 31–41. doi: 10.1134/S0040601516100037Glushkov DO, Strizhak PA, Chernetskii MY. Organic coal-water fuel: problems and advances (review). Thermal engineering. 2016; 63(10):701-717. (In Russ). doi: 10.1134/S0040601516100037Антонов, Д.В., Вершинина, К.Ю., Кузнецов, Г.В., и др. Математическое моделирование зажигания капли органоводоугольного топлива // ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ. 2021. Т. 94. № 4. С. 974–986. doi: 10.1007/s10891-021-02372-zAntonov DV, Vershinina KY, Kuznetsov GV, et al. Mathematical simulation of ignition of an organic coal–water fuel droplet. Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2021; 94(4):949–962. (In Russ). doi: 10.1007/s10891-021-02372-zВершинина, К.Ю., Лырщиков, С.Ю., Стрижак, П.А. Зажигание топливных суспензий, приготовленных на основе отходов обогащения угля и нефтепродуктов // Физика горения и взрыва. 2018. Т. 54. № 3. С. 137–146. doi: 10.15372/FGV20180316.Vershinina KY, Lyrshchikov SY, Strizhak PA. Шignition of fuel slurries based on waste products of coal processing and oil refining. Combustion, Explosion, and Shock Waves. 2018; 54(3):376–384. (In Russ). doi: 10.15372/FGV20180316.Feoktistov, D.V., Glushkov, D.O., Nurpeiis, et al. Impregnation of different coals and biomass with rapeseed oil for intensifying their ignition in a heated air stream during oil-free boiler start-up // Fuel Processing Technology. 2022. Vol. 236. pp. 107422. doi: 10.1016/j.fuproc.2022.107422Feoktistov DV, Glushkov DO, Nurpeiis AE, et al. Impregnation of different coals and biomass with rapeseed oil for intensifying their ignition in a heated air stream during oil-free boiler start-up. Fuel Processing Technology. 2022; 236:107422. doi: 10.1016/j.fuproc.2022.107422Larionov, K.B., Slyusarskiy, K.V., Tsibulskiy, et al. Activation of Anthracite Combustion Using Pyrolysis Oil from Thermal Conversion of Waste Car Tires // ACS Omega. 2021. Vol. 30. N 6. pp. 19731–19739. doi: 10.1021/acsomega.1c02404Larionov KB, Slyusarskiy KV, Tsibulskiy SA, et al. Activation of Anthracite Combustion Using Pyrolysis Oil from Thermal Conversion of Waste Car Tires. ACS Omega. 2021; 6:19731–19739. doi: 10.1021/acsomega.1c02404

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