Термогравиметрический анализ горения каменных углей Республики Тыва до и после их карбонизации

   Целью данной работы является определение основных характеристик горения каменных углей Республики Тыва до и после их карбонизации. При решении поставленных задач применялись термогравиметрический метод и метод электронной микроскопии. Для объектов исследования был проведен теплотехнический и элементный анализ. Теплотехнический и элементный анализ показал, что содержание летучих в Каа-Хемском угле достаточно высокое – 47,5 %, а в исследуемом Чаданском ниже на 10 %; после карбонизации произошло снижение летучих до 11,5 % и 9,3 %, соответственно. По результатам термогравиметрического анализа установлено следующее: температура воспламенения коксового остатка после карбонизации у Каа-Хемского угля увеличилась на 76 °С, у Чаданского угля – на 90 °С; температура выгорания коксового остатка после карбонизации (723 °С) у Каа-Хемского угля практически не изменилась, у Чаданского угля температура выгорания увеличилась с 704 °С до 727 °С. Определено, что карбонизация углей повлияла на снижение максимальной скорости реакции: у Каа-Хемского угля данный показатель снизался с 19 %/мин до 10 %/мин, у Чаданского – с 26 %/мин до 11 %/мин. Установлено, что процесс горения кокосового остатка после карбонизации углей сдвинулся в область более высоких температур: с интервала температур 448–723°С сместился до 524–724°С (для Каа-Хемского угля), с 436–704°С до 526–727°С (для Чаданского угля). Проведенный морфологический анализ поверхностей угольных частиц до и после карбонизации показал, что на поверхности карбонизатов появились поры и трещины более крупного размера по сравнению с углем до карбонизации. Таким образом, термогравиметрическим методом анализа установлено, что основной параметр, влияющий на улучшение основных характеристик горения в условиях неизотермического нагрева изученных углей Республики Тыва до и после их карбонизации, является содержание летучих веществ, а не развитая пористая структура частиц.

1. Лебедев Н. И. Угли Тувы: Состояние и перспективы освоения сырьевой базы / Н. И. Лебедев. – Кызыл: Изд-во ТувИКОПР СО РАН, 2007. – 180 с.

2. Монгуш Г. Р. Исследование изменения технических показателей и химических свойств (методом ИК-спектрального анализа) угольных смесей тувинских месторождений / Г. Р. Монгуш // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 12-1. – С. 157–162. https://doi.org/10.17513/mjpfi.12973.

3. Chen Yixin, Lee Soonho, Tahmasebi A., Bai Jin, Vongsvivut Jitraporn, Yu Jitraporn. Chemical structure transformation during the later stage of plastic layers during coking using synchrotron infrared microspectroscopy technique // Fuel. 2020. Vol. 273. P. 117764. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117764.

4. Chen Yixin, Lee Soonho, Tahmasebi A., Liu Mengjie, Zhang Tingting, Bai Jin, et al. Mechanism of carbon structure transformation in plastic layer and semi-coke during coking of Australian metallurgical coals // Fuel. 2022. Vol. 315. P. 123205. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.123205.

5. Filippov S. P., Keiko A. V. Coal gasification: at the crossroad. Technological factors // Thermal Engineering. 2021. Vol. 68. P. 209–220. https://doi.org/10.1134/S0040601521030046.

6. Loginov D. A., Chernykh A. P., Islamov S. R. An experimental study of the effect of pressure on the process of brown coal semicoking // Solid Fuel Chemistry. 2021. Vol. 55. Iss. 2. P. 129–132. https://doi.org/10.3103/S036152192102004X.

7. Zhuikov A. V., Matyushenko A. I., Panfilov V. I. Nastevich O. E. Experience of using synthetic gas as the main fuel in an industrial heating boiler house // Power Technology and Engineering. 2021. Vol. 55. Iss. 1. P. 92–95. https://doi.org/10.1007/s10749-021-01325-z.

8. Yang Yu, Lu Xiaofeng, Wang Quanhai. Investigation on the co-combustion of low calorific oil shale and its semicoke by using thermogravimetric analysis // Energy Conversion and Management. 2017. Vol. 136. P. 99–107. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.01.006.

9. Zhang Xiaoyu, Zhu Shujun, Zhu Jianguo, Lyu Qinggang, Wei Kai, Huang Qian, et al. TG-MS study on co-combustion characteristics and coupling mechanism of coal gasification fly ash and coal gangue by ECSA® // Fuel. 2022. Vol. 314. Р. 123086. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.123086.

10. Zhang Jinping, Jia Xiaowei, Wang Chang'an, Zhao Nan, Wang Pengqian, Che Defu. Experimental investigation on combustion and NO formation characteristics of semi-coke and bituminous coal blends // Fuel. 2019. Vol. 247. P. 87–96. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.03.045.

11. Yao Huifeng, He Boshu, Ding Guangchao, Tong Wen-xiao, Kuang Yucheng. Thermogravimetric analyses of oxyfuel co-combustion of semi-coke and bituminous coal // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 156. P. 708–721. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.04.115.

12. Larina O. M., Sinelshchikov V. A., Sytchev G. A. Thermogravimetric analysis of fuel blends of biomass and high-ash coal-containing waste // High Temperature. 2020. Vol. 58. Iss. 5. P. 710–715. https://doi.org/10.1134/S0018151X20050041.

13. Zheng Shaowei, Hu Yingjie, Wang Zhiqiang, Cheng Xingxing. Experimental investigation on ignition and burnout characteristics of semi-coke and bituminous coal blends // Journal of the Energy Institute. 2020. Vol. 93. Iss. 4. P. 1373–1381. https://doi.org/10.1016/j.joei.2019.12.007.

14. Hu Lilin, Zhang Yang, Chen Denggao, Fang Jugang, Zhang Man, Wu Yuxin, et al. Experimental study on the combustion and NOx emission characteristics of a bituminous coal blended with semi-coke // Applied Thermal Engineering. 2019. Vol. 160. Р. 113993. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.113993.

15. Zhao Ruidong, Qin Jianguang, Chen Tianju, Wu Jinhu. TG-FTIR study on co-combustion of bituminous coal semicoke and lignite // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2022. Vol. 147. P. 1849–1858. https://doi.org/10.1007/s10973-020-10405-7.

16. Xiao Zhongzheng, Wang Shuzhong, Luo Ming, Cai Jianjun. Combustion characteristics and synergistic effects during co-combustion of lignite and lignocellulosic components under oxy-fuel condition // Fuel. 2022. Vol. 310. Part B. Р. 122399. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.122399.

17. Wang Guangwei, Zhang Jianliang, Shao Jiugang, Liu Zhengjian, Zhang Guohua, Xu Tao, et al. Thermal behavior and kinetic analysis of co-combustion of waste biomass/low rank coal blends // Energy Conversion and Management. 2016. Vol. 124. P. 414–426. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.07.045.

18. Deng Shuanghui, Tan Houzhang, Wei Bo, Wang Xuebin, Yang Fuxin, Xiong Xiaohe. Investigation on combustion performance and ash fusion characteristics of Zhundong coal co-combustion with coal gangue // Fuel. 2021. Vol. 294. Р. 120555. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.120555.

19. Zhang Kaihua, Zhang Kai, Cao Yan, Pan Wei-ping. Co-combustion characteristics and blending optimization of tobacco stem and high-sulfur bituminous coal based on thermogravimetric and mass spectrometry analyses // Bioresource Technology. 2013. Vol. 131. P. 325–332. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2012.12.163.

20. Oladejo J. M., Adegbite S., Pang Cheng Heng, Liu Hao, Parvez A. M., Wu Tao. A novel index for the study of synergistic effects during the co-processing of coal and biomass // Applied Energy. 2017. Vol. 188. P. 215–225. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.12.005.

21. Chen Lichun, Wen Chang, Wang Wenyu, Liu Tianyu, Liu Enze, Liu Haowen, et al. Combustion behaviour of biochars thermally pretreated via torrefaction, slow pyrolysis, or hydrothermal carbonisation and co-fired with pulverised coal // Renewable Energy. 2020. Vol. 161. P. 867–877. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.06.148.