Влияние совместной термической утилизации углесодержащих и сельскохозяйственных отходов на плавкость золы

Исследование направлено на определение характеристик плавления золы, образующейся при совместном сжигании низкосортного угольного сырья и отходов подсолнечника. Установлен химический состав зол исходных топливных компонентов, а также их смесей в различных соотношениях. На основании состава рассчитаны прогностические показатели, которые были использованы для оценки вероятности образования отложений на поверхностях котлоагрегатов. Для изучения поведения зол определены их характерные температуры плавления с использованием стандартизированных методов. Описаны механизмы взаимодействия отдельных компонентов зол угольного и растительного сырья с образованием новых минеральных фаз. Выявлено, что добавление отходов подсолнечника до 30%масс. к углесодержащим отходам приводит к снижению температур плавления золы. Дальнейшее увеличение массовой доли отходов подсолнечника сопровождается повышением ее устойчивости к термическому воздействию. Полученные результаты демонстрируют, что регулирование доли биомассы в смесевых топливах позволяет управлять характеристиками их плавления.

Дука А. А., Пашкевич М. А., Сверчков И. П. Влияние совместной термической утилизации углесодержащих и сельскохозяйственных отходов на плавкость золы // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 9. – С. 67–85. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_9_0_67.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (FSRW-2024-0005).

Дука Арина Александровна¹ —научный сотрудник, e-mail: duka_aa@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0009-0009-6656-7660,
Пашкевич Мария Анатольевна¹ —д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: mpash@spmi.ru, ORCID ID: 0000-0001-7020-8219,
Сверчков Иван Павлович¹ —канд. техн. наук, старший научный сотрудник, e-mail: sverchkov_ip@pers.spmi.ru, ORCID ID: 0000-0003-4725-0050,
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II.

Дука А.А., e-mail: duka_aa@pers.spmi.ru.

1. Marinina O., Nevskaya M., Jonek-Kowalska I., Wolniak R., Marinin M. Recycling of coal fly ash as an example of an efficient circular economy: A stakeholder approach // Energies. 2021, vol. 14, pp. 3597—3597. DOI: 10.3390/en14123597.

2. Zhang L., Ponomarenko T. Directions for sustainable development of China’s сoal Industry in the post-epidemic era // Sustainability. 2023, vol. 15, no. 8, article 6518. DOI: 10.3390/su15086518.

3. Пашкевич М. А., Патокин Д. А., Данилов А. С. Утилизация нитроцеллюлозосодержащих отходов химической промышленности с получением минеральных почвенных добавок // Экология и промышленность России. — 2024. — № 28(6). — С. 10—17. DOI: 10.18412/1816-03952024-6-10-17.

4. Cheng F., Zhang Y., Zhang G., Zhang Z., Wu J., Zhang D. Eliminating environmental impact of coal mining wastes and coal processing by-products by high temperature oxy-fuel CFB combustion for clean power Generation: A review // Fuel. 2024, vol. 373, article 132341. DOI: 10.1016/j. fuel.2024.132341.

5. Lange I. Yu., Lebedeva Y. A., Kotiukov P. V. A study of water permeability of coal ash and slag to assess the possibility of their use as road pavement layers // International Journal of Engineering Research and Technology. 2020, vol. 13, no. 2, pp. 374—378. DOI: 10.37624/IJERT/13.2.2020.374-378.

6. Чукаева М. А., Матвеева В. А. Комплексная переработка высокоуглеродистых золошлаковых отходов // Записки Горного института. — 2022. — Т. 253. — С. 97—104. DOI: 10.31897/ PMI.2022.5.

7. Zhang L., Wang J., Song X., Bai Y., Yao M., Yu G. Influence of biomass ash additive on fusion characteristics of high-silicon-aluminum coal ash // Fuel. 2020, vol. 282, article 118876. DOI: 10.1016/ j.fuel.2020.118876.

8. Хуан Ц., Ли Ч., Чэнь Б., Цуй С., Лу Ч., Дай В., Чжао Ю., Дуань Ч., Дон Л. Оперативный контроль элементного состава угольной золы на основе машинного обучения и рентгеновской флуоресценции // Записки Горного института. — 2022. — Т. 256. — С. 663—676. DOI: 10.31897/ PMI.2022.89.

9. Кирюшина Е. В., Зеньков И. В., Чинь Л. Х., Дмитриева М. Л., Юронен Ю. П., Вокин В. Н., Черепанов Е. В., Раевич К. В., Латынцев А. А., Павлова П. Л., Кузина Л. Н., Лунев А. С., Штреслер К. А. Исследование экологии нарушенных земель после завершения горных работ по добыче угля на участках Подмосковного бассейна в Тульской области // Уголь. — 2024. — № 7. — С. 91—95. DOI: 10.18796/0041-57902024-7-91-95.

10. Aleksandrova T., Nikolaeva N., Afanasova A., Chenlong D., Romashev A., Aburova V., Prokhorova E. Increase in Recovery efficiency of iron-containing components from ash and slag material (coal combustion waste) by magnetic separation // Minerals. 2024, vol. 14, no. 2, article 136. DOI: 10.3390/min14020136.

11. Андреенко Т. И., Киселева С. В., Рафикова Ю. Ю. Энергетический потенциал отходов сельскохозяйственного производства южных регионов России (Волгоградская область, Республика Крым) // Вестник аграрной науки Дона. — 2017. — № 39. — С. 63—72.

12. Ковехова А. В., Арефьева О. Д., Земнухова Л. А., Самохина Д. А. Неорганические компоненты стеблей подсолнечника // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. — 2023. — Т. 13. — № 2. — С. 220—227. DOI: 10.21285/2227-2925-2023-13-2-220-227.

13. Zhuikov A., Glushkov D., Pleshko A., Grishina I., Chicherin S. Co-combustion of coal and biomass: Heating surface slagging and flue gases // Fire. 2025, vol. 8, no. 3, article 106. DOI: 10.3390/ fire8030106.

14. Zhou C., Liu G., Wang X., Qi C. Co-combustion of bituminous coal and biomass fuel blends: Thermochemical characterization, potential utilization and environmental advantage // Bioresource Technology. 2016, vol. 218, pp. 418—427. DOI: 10.1016/j.biortech.2016.06.134.

15. Fu B., Liu G., Mian M., Zhou C., Sun M., Wu D., Liu Y. Co-combustion of industrial coal slurry and sewage sludge: Thermochemical and emission behavior of heavy metals // Chemosphere. 2019, vol. 233, pp. 440—451. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2019.05.256.

16. Fermoso J., Corbet T., Ferrara F., Pettinau A., Maggio E., Sanna A. Synergistic effects during the co-pyrolysis and co-gasification of high volatile bituminous coal with microalgae // Energy Conversion and Management. 2018, vol. 164, pp. 399—409. DOI: 10.1016/j.enconman.2018.03.02.

17. Zhu H., Liao Q., Hu L., Xie L., Qu B., Gao R. Effect of removal of alkali and alkaline earth metals in cornstalk on slagging/fouling and co-combustion characteristics of cornstalk/coal blends for biomass applications // Renewable Energy. 2023, vol. 207, pp. 275—285. DOI: 10.1016/j.renene.2023. 03.022.

18. Niu Y., Tan H., Wang X., Liu Z., Liu H., Liu Y., Xu T. Study on fusion characteristics of biomass ash // Bioresource Technology. 2010, vol. 101, no. 23, pp. 9373—9381. DOI: 10.1016/j. biortech.2010.06.144.

19. Du S., Yang H., Qian K., Wang X., Chen H. Fusion and transformation properties of the inorganic components in biomass ash // Fuel. 2014, vol. 117, pp. 1281—1287. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.07.085.

20. Харько П. А., Данилов А. С. Оценка эффективности нейтрализации и очистки кислых вод от металлов золой при использовании альтернативного топлива из коммунальных отходов // Записки Горного института. — 2024. — С. 1—10. EDNCGGRHJ.

21. Zhu Y., Tan H., Niu Y., Wang X. Experimental study on ash fusion characteristics and slagging potential using simulated biomass ashes // Journal of the Energy Institute. 2018, vol. 92, no. 6, pp. 1889—1896. DOI: 10.1016/j.joei.2018.11.005.

22. Lachman J., Baláš M., Lisý M., Lisá H., Milčák P., Elbl P. An overview of slagging and fouling indicators and their applicability to biomass fuels // Fuel Processing Technology. 2021, vol. 217, article 106804. DOI: 10.1016/j.fuproc.2021.106804.

23. Петрова Т. А., Епишина А. Д. Антикоррозионная защита трубопроводного транспорта на горно-перерабатывающих предприятиях // Обогащение руд. — 2023. — № 6. — С. 52—58. DOI: 10.17580/or.2023.06.09.

24. Qin Y., Feng M., Zhao Z., Vassilev S. V., Feng J., Vassileva C. G., Li W.-Y. Effect of biomass ash addition on coal ash fusion process under CO2 atmosphere // Fuel. 2018, vol. 231, pp. 417—426. DOI: 10.1016/J.FUEL.2018.05.110.

25. Pang C. H., Hewakandamby B., Wu T., Lester E. An automated ash fusion test for characterisation of the behaviour of ashes from biomass and coal at elevated temperatures // Fuel. 2013, vol. 103, pp. 454—466. DOI: 10.1016/j.fuel.2012.06.120.

26. Авгушевич И. В., Сидорук Е. И., Броновец Т. М. Стандартные методы испытания углей. Классификации углей. — М.: Реклама мастер, 2019. — 576 с.

27. Yao X., Zhou H., Xu K., Xu Q., Li L. Evaluation of the fusion and agglomeration properties of ashes from combustion of biomass, coal and their mixtures and the effects of K2CO3 additives // Fuel. 2019, vol. 255, article 115829. DOI: 10.1016/j.fuel.2019.115829.

28. Ma X., Li F., Ma M., Fang Y. Investigation on blended ash fusibility characteristics of biomass and coal with high silica—alumina // Energy & Fuels. 2017, vol. 31, no. 8, pp. 7941—7951. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.7b01070.

29. Chen C., Bi Y., Huang Y., Huang H. Review on slagging evaluation methods of biomass fuel combustion // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2021, vol. 155, no. 9, article 105082. DOI: 10.1016/j.jaap.2021.105082.

30. Zhuikov A., Glushkov D., Pleshko A., Grishina I., Chicherin S. Co-combustion of coal and biomass: heating surface slagging and flue gases // Fire. 2025, vol. 8, no. 3, article 106. DOI: 10.3390/ fire8030106.

31. Vassilev S. V., Baxter D., Vassileva C. G. An overview of the behaviour of biomass during combustion: part I. Phase-mineral transformations of organic and inorganic matter, Online // Fuel. 2013, vol. 112, pp. 391—449. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.05.043.

32. Vassilev S. V., Baxter D., Vassileva C. G. An overview of the behaviour of biomass during combustion: Part II. Ash fusion and ash formation mechanisms of biomass types // Fuel. 2014, vol. 117, pp. 152—183. DOI: 10.1016/j.fuel.2013.09.024.

33. Deng S., Tan H., Wei B., Wang X., Yang F., Xiong X. Investigation on combustion performance and ash fusion characteristics of Zhundong coal co-combustion with coal gangue // Fuel. 2021, vol. 294, article 120555. DOI: 10.1016/j.fuel.2021.120555.

34. Lv Y., Niu Y., Liang Y., Liu S., Wang D., Hui S. Experiment and kinetics studies on ash fusion characteristics of biomass/coal mixtures during combustion // Energy & Fuels. 2019, vol. 33, no. 10, pp. 10317—10323. DOI: 10.1021/acs.energyfuels.9b02563.

35. Vu D. H., Bui H. B., Bui X. N., An-Nguyen D., Le Q. T., Do N. H., Nguyen H. A novel approach in adsorption of heavy metal ions from aqueous solution using synthesized MCM-41 from coal bottom ash // International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 2020, vol. 100, no. 11, pp. 1226—1244. DOI: 10.1080/03067319.2019.1651300.

36. Yiming Z., Houzhang T., Yanqing N., Xuebin W. Experimental study on ash fusion characteristics and slagging potential using simulated biomass ashes // Journal of the Energy Institute. 2018, vol. 92, no. 6, pp. 1889—1896. DOI: 10.1016/j.joei.2018.11.005.

37. Zhai M., Li X., Yang Di., Ma Zh., Dong P. Ash fusion characteristics of biomass pellets during combustion // Journal of Cleaner Production. 2022, vol. 336, article 130361. DOI: 10.1016/j. jclepro.2022.130361.