Характеристики горения буроугольного карбонизата и возможность его применения в качестве энергетического топлива

  • Андрей [Andrey] Владимирович [V.] Жуйков [Zhuikov]
  • Анатолий [Anatoliy] Иванович [I.] Матюшенко [Matyushenko]
  • Дмитрий [Dmitriy] Александрович [A.] Логинов [Loginov]
Ключевые слова: уголь, карбонизат, частичная газификация, сжигание, термогравиметрический анализ, ресурсосбережение, энергетическое топливо

Аннотация

Вовлечение высококалорийного топлива, такого как карбонизированный уголь, в топливно-энергетический баланс страны может благотворно повлиять на общее ресурсосбережение ископаемого твердого топлива при производстве тепловой и электрической энергии. С этой целью проведен сравнительный анализ, включающий в себя определение основных характеристик горения бородинского угля и карбонизата, полученного при частичной газификации бородинского бурого угля при температурах 700…800 °С в реакторе периодического действия. Для этого установлен теплотехнический и элементный состав топлив, выполнена качественная оценка поверхностей топливных частиц с использованием метода растровой электронной микроскопии. С помощью метода термогравиметрического анализа получены следующие параметры угля и буроугольного карбонизата: температура зажигания и выгорания коксового остатка, максимальная скорость реакции при горении, скорость изменения массы на разных этапах горения, интервалы экзотермических и эндотермических реакций, максимальная интенсивность теплового потока. Отмечено влияние выхода летучих веществ на процесс горения при нагреве. Доказано, что температура зажигания угольного карбонизата на 30% выше, чем у угля, температура выгорания больше на 25%, при этом удельная теплота сгорания карбонизата в 1,8 раза больше теплоты сгорания угля.  Проведенная оценка свойств карбонизата продемонстрировала возможность его использования на объектах теплоэнергетики в качестве добавочного энергетического топлива.

Сведения об авторах

Андрей [Andrey] Владимирович [V.] Жуйков [Zhuikov]

кандидат технических наук, заведующий учебно-научной лабораторией кафедры теплотехники и гидрогазодинамики Политехнического института Сибирского федерального университета, e-mail: azhuikov@sfu-kras.ru

Анатолий [Anatoliy] Иванович [I.] Матюшенко [Matyushenko]

доктор технических наук, заведующий кафедрой инженерных систем зданий и сооружений Инженерно-строительного института Сибирского федерального университета, e-mail: matyshenko@icloud.com

Дмитрий [Dmitriy] Александрович [A.] Логинов [Loginov]

кандидат технических наук, заместитель технического директора ООО «Уголь-инжиниринг», e-mail: 2901496@gmail.com

Литература

1. Семикашев В.В., Гайворонская М.С. Анализ текущего состояния и перспективы газификации России на период до 2030 г. // Проблемы прогнозирования. 2022. № 1. С. 91—100.
2. Елсуков В.К., Латушкина С.В. Образование и снижение оксидов азота при сжигании Канско-Ачинских углей на котлах с жидким шлакоудалением // Труды Братского гос. ун-та. Серия «Естественные и инженерные науки». 2018. № 1. С. 74—79.
3. Шишканов О.Г., Андруняк И.В. Управление положением факела в топочной камере котла Е-500 при тангенциальном пылеугольном сжигании // Промышленная энергетика. 2021. № 1. С. 35—43.
4. Халид Эль-Шейх и др. Образование и подавление выбросов NOx и N2O при сжигании топлив в среде кислорода с рециркуляцией CO2 (обзор) // Теплоэнергетика. 2020. № 1. С. 5—14.
5. Жуйков А.В., Матюшенко А.И. Способы получения и практического применения синтез-газа (обзор) // Журнал Сибирского федерального ун-та Серия «Техника и технологии». 2020. Т. 13. № 4. С. 383—405.
6. Исламов С.Р. Термическая переработка как новый уровень обогащения угля // Уголь. 2020. № 5. С. 48—53.
7. Степанов С.Г., Михалев И.О., Евтушенко Е.М., Логинов Д.А., Деменчук С.В. Бездымное бытовое топливо: опыт применения в Красноярске // Уголь. 2020. № 12. С. 56—62.
8. Wang C., Wang C., Tang G., Zhang J., Gao X., Che D. Co-combustion Behaviors and NO Formation Characteristics of Semi-coke and Antibiotic Filter Residue under Oxy-fuel Condition // Fuel. 2022. V. 319(6). P. 123779.
9. 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(4). Pp. 1373—1381.
10. Жуйков А.В., Матюшенко А.И., Кузнецов П.Н., Стебелева О.П., Самойло А.С. Термогравиметрический анализ горения каменных углей Республики Хакасия, сосновых опилок и их смесей // Журнал Сибирского федерального ун-та. Серия «Техника и технологии». 2021. Т. 14. № 6. С. 611—622.
11. Cao Y., Liu Y., Li Z., Zong P., Hou J., Zhang Q., Gou X. Synergistic Effect, Kinetics, and Pollutant Emission Characteristics of Сo-combustion of Polymer-containing Oily Sludge and Cornstalk Using TGA and Fixed-bed Reactor // Renew. Energy. 2022. V. 185. Pp. 748—758.
12. Богомолов А.Р., Петров И.Я., Жалмагамбетова У.К. Термический анализ углей казахстанских месторождений // Теплоэнергетика. 2020. № 3. С. 24—32.
13. Cong K., Han F., Zhang Y., Li Q. The Investigation of Co-combustion Characteristics of Tobacco Stalk and low Rank Coal Using a Macro-TGA // Fuel. 2019. V. 237. Pp. 126—132.
14. Liu Z., Quek A., Kent Hoekman S., Srinivasan M.P., Balasubramanian R. Thermogravimetric Investigation of Hydrochar-lignite Co-combustion // Bioresour. Technol. 2013. V. 133. Pp. 646—652.
15. Ding G., He B., Yao H., Cao Y., Su L., Duan Z. Co-combustion Behaviors of Municipal Solid Waste and Low-rank Coal Semi-coke in Air or Oxygen/carbon Dioxide Atmospheres // J. Therm. Anal. Calorim. 2021. V. 143. Pp. 619—635.
16. Wang C., Wang F., Yang Q., Liang R. Thermogravimetric Studies of the Behavior of Wheat Straw with Added Coal During Combustion // Biomass Bioenergy. 2009. V. 33. Pp. 50—56.
17. Li X.G., Ma B.G., Xu L., Hu Z-W., Wang X-G. Thermogravimetric Analysis of the Co-combustion of the Blends with High Ash Coal and Waste Tyres // Thermochim. Acta. 2006. V. 441. Pp. 79—83.
18. Lu J-J., Chen W-H. Investigation on the Ignition and Burnout Temperatures of Bamboo and Sugarcane Bagasse by Thermogravimetric Analysis // Appl. Energy. 2015. V. 160. Pp. 49—57.
19. 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. Pp. 532—537.
20. 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. Pp. 151—159.
21. Майданик М.Н., Вербовецкий Э.Х., Тугов А.Н. Предварительная оценка возможности перевода котлов тепловых электростанций на сжигание альтернативного угля // Теплоэнергетика. 2021. № 9. С. 33—42.
22. Дубровский В.А. Методы и средства повышения эффективности энергетического использования углей Канско-Ачинского бассейна: дис. … доктора технических наук. Красноярск: Изд-во Сибирского федерального ун-та, 2008.
---
Для цитирования: Жуйков А.В., Матюшенко А.И., Логинов Д.А. Характеристики горения буроугольного карбонизата и возможность его применения в качестве энергетического топлива // Вестник МЭИ. 2023. № 1. С. 106—112. DOI: 10.24160/1993-6982-2023-1-106-112.
---
Работа выполнена при поддержке: Красноярского краевого фонда науки в рамках проекта «Концепция развития теплоэнергетики Красноярского края»
#
1. Semikashev V.V., Gayvoronskaya M.S. Analiz Tekushchego Sostoyaniya i Perspektivy Gazifikatsii Rossii na Period do 2030 g. Problemy Prognozirovaniya. 2022;1:91—100. (in Russian).
2. Elsukov V.K., Latushkina S.V. Obrazovanie i Snizhenie Oksidov Azota pri Szhiganii Kansko-Achinskikh Ugley na Kotlakh s Zhidkim Shlakoudaleniem. Trudy Bratskogo Gos. Un-ta. Seriya «Estestvennye i Inzhenernye Nauki». 2018;1:74—79. (in Russian).
3. Shishkanov O.G., Andrunyak I.V. Upravlenie Polozheniem Fakela v Topochnoy Kamere Kotla E-500 pri Tangentsial'nom Pyleugol'nom Szhiganii. Promyshlennaya Energetika. 2021;1:35—43. (in Russian).
4. Khalid El'-Sheykh i dr. Obrazovanie i Podavlenie Vybrosov NOx i N2O pri Szhiganii Topliv v Srede Kisloroda s Retsirkulyatsiey CO2 (obzor). Teploenergetika. 2020;1:5—14. (in Russian).
5. Zhuykov A.V., Matyushenko A.I. Sposoby Polucheniya i Prakticheskogo Primeneniya Sintez-gaza (Obzor). Zhurnal Sibirskogo Federal'nogo Un-ta Seriya «Tekhnika i Tekhnologii». 2020;13;4:383—405. (in Russian).
6. Islamov S.R. Termicheskaya Pererabotka kak Novyy Uroven' Obogashcheniya Uglya. Ugol'. 2020;5:48—53. (in Russian).
7. Stepanov S.G., Mikhalev I.O., Evtushenko E.M., Loginov D.A., Demenchuk S.V. Bezdymnoe Bytovoe Toplivo: Opyt Primeneniya v Krasnoyarske. Ugol'. 2020;12:56—62. (in Russian).
8. Wang C., Wang C., Tang G., Zhang J., Gao X., Che D. Co-combustion Behaviors and NO Formation Characteristics of Semi-coke and Antibiotic Filter Residue under Oxy-fuel Condition. Fuel. 2022;319(6):123779.
9. 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;93(4):1373—1381.
10. Zhuykov A.V., Matyushenko A.I., Kuznetsov P.N., Stebeleva O.P., Samoylo A.S. Termogravimetricheskiy Analiz Goreniya Kamennykh Ugley Respubliki Khakasiya, Sosnovykh Opilok i Ikh Smesey. Zhurnal Sibirskogo Federal'nogo Un-ta. Seriya «Tekhnika i Tekhnologii». 2021;14;6:611—622. (in Russian).
11. Cao Y., Liu Y., Li Z., Zong P., Hou J., Zhang Q., Gou X. Synergistic Effect, Kinetics, and Pollutant Emission Characteristics of So-combustion of Polymer-containing Oily Sludge and Cornstalk Using TGA and Fixed-bed Reactor. Renew. Energy. 2022;185:748—758.
12. Bogomolov A.R., Petrov I.Ya., Zhalmagambetova U.K. Termicheskiy Analiz Ugley Kazakhstanskikh Mestorozhdeniy. Teploenergetika. 2020;3:24—32. (in Russian).
13. Cong K., Han F., Zhang Y., Li Q. The Investigation of Co-combustion Characteristics of Tobacco Stalk and low Rank Coal Using a Macro-TGA. Fuel. 2019;237:126—132.
14. Liu Z., Quek A., Kent Hoekman S., Srinivasan M.P., Balasubramanian R. Thermogravimetric Investigation of Hydrochar-lignite Co-combustion. Bioresour. Technol. 2013;133:646—652.
15. Ding G., He B., Yao H., Cao Y., Su L., Duan Z. Co-combustion Behaviors of Municipal Solid Waste and Low-rank Coal Semi-coke in Air or Oxygen/carbon Dioxide Atmospheres. J. Therm. Anal. Calorim. 2021;143:619—635.
16. Wang C., Wang F., Yang Q., Liang R. Thermogravimetric Studies of the Behavior of Wheat Straw with Added Coal During Combustion. Biomass Bioenergy. 2009;33:50—56.
17. Li X.G., Ma B.G., Xu L., Hu Z-W., Wang X-G. Thermogravimetric Analysis of the Co-combustion of the Blends with High Ash Coal and Waste Tyres. Thermochim. Acta. 2006;441:79—83.
18. Lu J-J., Chen W-H. Investigation on the Ignition and Burnout Temperatures of Bamboo and Sugarcane Bagasse by Thermogravimetric Analysis. Appl. Energy. 2015;160:49—57.
19. 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;52:532—537.
20. 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;162:151—159.
21. Maydanik M.N., Verbovetskiy E.Kh., Tugov A.N. Predvaritel'naya Otsenka Vozmozhnosti Perevoda Kotlov Teplovykh Elektrostantsiy na Szhiganie Al'ternativnogo Uglya. Teploenergetika. 2021;9:33—42. (in Russian).
22. Dubrovskiy V.A. Metody i Sredstva Povysheniya Effektivnosti Energeticheskogo Ispol'zovaniya Ugley Kansko-Achinskogo Basseyna: Dis. … Doktora Tekhnicheskikh Nauk. Krasnoyarsk: Izd-vo Sibirskogo Federal'nogo Un-ta, 2008. (in Russian).
---
For citation: Zhuikov A.V., Matyushenko A.I., Loginov D.A. Combustion Characteristics of Lignite Carbonizate and the Possibility of Using It as Power Plant Fuel. Bulletin of MPEI. 2023;1:106—112. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2023-1-106-112.
---
The work is executed at support: Krasnoyarsk Regional Science Foundation within the Framework of the Project «The Concept of Development of Thermal Power Engineering of the Krasnoyarsk Territory»
Опубликован
2022-10-24
Раздел
Теоретическая и прикладная теплотехника (технические науки) (2.4.6)