Особенности горения твердотопливной смеси на основе углей разной степени метаморфизма регионов Енисейской Сибири

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.

1. Zhou 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.2021.149985

2. Капустянский А.А. Исследование факельного сжигания непроектных бинарных угольных смесей в паровых котлах // Теплоэнергетика. 2017. №7. С. 83–90.

3. 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.

4. 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.

5. 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.2019.04.115

6. 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.2019.12.007

7. 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.2016.03.035

8. 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.2020.10.007

9. 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/s10973-016-5557-9

10. 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.2010.07.028

11. 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.2018.02.004

12. 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/s11696-020-01058-9

13. 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/s10973-016-5536-1

14. 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.2015.10.031

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. Zheng 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.2019.12.007

19. 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.2020.07.139

20. Богомолов А.Р., Петров И.Я, Жалмагамбетова У.К. Термический анализ углей казахстанских месторождений // Теплоэнергетика. 2020. №3. С. 24–32.

21. 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.

22. 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.