Закономерности зажигания и горения смесей низкосортного угля с пиролизной жидкостью

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

   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. 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.

1. Исхаков, 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.

2. 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: 10.30724/1998-9903-2020-22-6-68-78

3. Таймаров, 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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: 10.18799/24131830/2021/12/3439

9. Манигомба, 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.

10. 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.

11. 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: 10.18799/24131830/2022/12/3913

12. Грачев, 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.

13. Забелкин, С.А., Грачёв, А.Н., Башкиров, В.Н. и др. Энергетическое использование пиролизной жидкости // Вестник Казанского технологического университета. 2010. № 10. С. 369-374.

14. 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.

15. 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.2023.100118

16. Жуйков 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: 10.30724/1998-9903-2022-24-5-136-146

17. Jones, 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.2004.11.018

18. Hroncová, 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.2017.08.025

19. Глушков, Д.О., Стрижак, П.А., Чернецкий, М.Ю. Органоводоугольное топливо: проблемы и достижения (обзор) // Теплоэнергетика. 2016. № 10. С. 31–41. doi: 10.1134/S0040601516100037

20. Антонов, 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-z

21. Вершинина, 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.

22. 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.2022.107422

23. Larionov, 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.1c02404