Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Выполнены экспериментальные исследования закономерностей и характеристик процессов горения группы топливных смесей и их отдельных компонентов, протекающие при разных условиях нагрева: 1. Получены характеристики горения индивидуальных топлив и их смесей при разных условиях нагрева. Выполненный термический анализ бурого угля (уголь), сосновых шишек (биомасса) и их смесей (c разным соотношением компонентов) позволил установить основные характеристики процессов горения в широком диапазоне варьирования температур 30–800 °C. При увеличении доли биомассы в топливной смеси до 75% процесс горения смещается в область более низких температур по сравнению с углем (с 238–549 °C до 230–514 °C). Длительность процесса горения топлива снижается на 16%. Также снижается температура, при которой воспламеняется коксовый остаток твердотопливной смеси с 360 °C (для угля) до 304 °C вследствие относительно низкого значения температуры, при которой воспламеняется биомасса (302 °C). Происходит перераспределение значений, соответствующих максимальной скорости убыли массы (при горении летучих веществ с 6,5 до 19,0 %/мин.; при горении коксового остатка с 24,2 до 11,2 %/мин.) и максимальной интенсивности теплового потока (при горении летучих веществ с 29,4 до 22,1 мВт/мг; при горении коксового остатка с 127,0 до 50,8 мВт/мг), между максимумами дифференциальной-термогравиметрии и дифференциальной сканирующей калориметрии, соответствующими горению летучих веществ и коксового остатка, за счет более высокого (на 73%) содержания летучих компонентов в биомассе по сравнению с углем. Среди рассмотренных топливных смесей (75% угля + 25% биомассы; 50% угля + 50% биомассы; 25% угля + 75% биомассы) первая предпочтительна для практического применения наряду с широко распространенными твердыми натуральными топливами. Ее теплота сгорания незначительно ниже аналогичной характеристики по сравнению с углем. Кроме этого, в таких условиях (при содержании биомассы в твердотопливной смеси не более 25%) можно достоверно прогнозировать основные характеристики процессов горения топливных смесей с произвольным содержанием компонентов (угля и биомассы) по данным термогравиметрического анализа процесса горения индивидуальных твердых топлив, т.к. вклад каждого компонента в результирующие характеристики процесса горения смеси пропорционален. 2. Проведенные исследования реакционной способности биомассы, угля и карбонизата в условиях неизотермического нагрева показали, что биомасса обладает высокой реакционной способностью, по сравнению с углем и карбонизатом, значение средней реакционной способности составило 7; 4,1 и 1,6 мин/°С соответственно. Менее реакционным топливом при данных условиях нагрева оказался карбонизат. Влияние содержания летучих веществ играло ключевую роль в условиях неизотермического нагрева топлив. В условиях мгновенного конвективного нагрева топливных частиц горячим воздухом наименьшая задержка зажигания характерна для биомассы. Задержка зажигания карбонизата оказалась меньше, чем у угля за счет высокой удельной поверхности топливных частиц. Для увеличения реакционной способности каменных углей марки ГЖ и карбонизата, полученного в процессе частичной газификации этих углей, целесообразно применять высокореакционную биомассу. 3. В результате экспериментальных исследований для частиц черногорского каменного угля (уголь), древесины лиственницы (биомасса) и смесей на их основе (уголь 90% + биомасса 10%; уголь 80% + биомасса 20%; уголь 70% + биомасса 30%) определены характеристики процессов термического разложения и горения, и состав дымовых газов. По результатам синхронного термического анализа установлена температура, при которой происходит воспламенение коксового остатка (для угля 421 °С и 294 °С для биомассы) и температура, при которой происходит завершение процесса горения (для угля 570 °С и 484 °С для биомассы). Времена задержки зажигания топлив в условиях конвективного нагрева при варьировании температуры окислителя в диапазоне 500–800 °C изменяются от 0,02 до 0,22 с. Анализ состава продуктов сгорания позволил выявить содержание CO, CO2, NOx, H2S+SO2 для черногорского каменного угля (0,86%, 2,30%, 54,70 ppm, 3,30 ppm, соответственно) и древесины лиственницы (2,10%, 1,64%, 11,30 ppm, 2,00 ppm, соответственно). Добавление биомассы к углю способствует улучшению экологических характеристик процесса горения без существенного ухудшения энергетических характеристик. По результатам сканирующей электронной микроскопии установлено наличие в частицах биомассы большого количества крупных пор и каналов в отличие от угля, что оказывает положительное влияние на интенсификацию процессов ее зажигания и горения. Среди рассмотренных топливных смесей состав с добавлением 20 мас. % биомассы является наиболее перспективным для практического применения наряду с широко распространенными твердыми натуральными топливами. Его теплота сгорания незначительно ниже аналогичной характеристики по сравнению с углем, а дальнейшее увеличение массовой доли в смеси приводит к снижению теплоты сгорания более чем на 10%. Добавление 20 мас. % биомассы к углю позволило снизить температуру, при которой происходит воспламенение коксового остатка, на 7%; температуру, при которой завершается процесс горения, на 1%; энергию активации на 16%; время задержки зажигания частиц в потоке разогретого воздуха на 38–43%; содержание диоксида углерода, оксидов азота и соединений серы (H2S+SO2) в дымовых газах на 8,3; 19,7 и 24,2% соответственно. 4. Полученные результаты моделирования процессов горения угля и твердотопливной смеси (уголь + лесная биомасса) в топке котла БКЗ-210-140Ф явно отражают тенденцию снижения верхнего диапазона температуры в топке котла при горении топливной смеси с увеличением содержания биомассы. Максимальные температуры в топке котла полученные в рамках вычислительных алгоритмов ANSYS FLUENT при горении черногорского угля марки Д (Минусинский угольный бассейн) в предельных значениях превышают 1600 К. Значения максимальных температур при горении опилок лиственницы без смешивания с углем не достигает 1500 К. Распределение температур в топке котла иллюстрируют уменьшение размеров области максимальных значений температуры в области горения на 15% при сжигании опилок лиственницы по сравнению с углем. Таким образом, можно сделать обоснованный вывод о необходимости более детального изучения процесса горения твердотопливных смесей в топках котлов в рамках разработанной и развиваемой математической модели в соответствии с планом работ на второй год реализации проекта. 5. Проведенный методом электронной микроскопии анализ состава и морфологию частиц золы исследуемых в проекте топлив позволил установить следующее, в отличие от углей (преобладание кварца и ангидрита) в золах древесной биомассы преобладает портландит и кальцит (производные лайма). В существенных количествах присутствуют калий содержащие минералы (до 10–12% калия). Углеродсодержащие отходы содержат в основном ангидрит (зола гидролизного лигнина) или кварц (остатки сточных вод). Существенных количеств тяжелых металлов в древесной золе не обнаружено. Наличие фосфатов в данных материалах способствует связыванию тяжелых металлов в нерастворимую форму, что смягчает негативное воздействие взаимодействия компонентов твердотопливных смесей в условиях изотермического и неизотермического нагрева. 6. Проанализированы и обобщены результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований, сформированы теоретические следствия, необходимые для выполнения планируемых в 2024 году работ, в первую очередь для проведения исследований процессов горения твердотопливных смесей с количественной оценкой состава газообразных компонентов в дымовых газах. Полученные результаты представлены членами научного коллектива в виде 3 устных и 1 постерного доклада на двух международных, одной всероссийской и одной межрегиональной конференциях. 7. Опубликовано 3 статьи в рецензируемых периодических изданиях, индексируемых базами данных Web of Science Core Collection и Scopus.