Повышение эффективности термической утилизации низкосортного угольного сырья путём внесения добавок карбонатов щелочных металлов

В работе рассматривается перспективность использования углесодержащих отходов в качестве топливного сырья. Образцами для исследования являлись отходы обогащения углей (ООУ) Кузнецкого бассейна и золошлаковые отходы (ЗШО) котельных цеха тепловодоснабжения горнодобывающего предприятия. Для увеличения эффективности их термической утилизации выполнена оценка возможности добавления реагентов-катализаторов, а именно карбонатов калия и натрия. Проведены термогравиметрический анализ и дифференциально-сканирующая калориметрия, определение удельной площади поверхности и исследование поверхности методом электронной микроскопии. На основании результатов лабораторных исследований были рассчитаны скорости горения отходов обогащения угля и золошлаковых отходов в зависимости от типа и количества добавки, определен механизм их взаимодействия. По данным термогравиметрического анализа установлены значения параметров горения: температуры максимальной потери массы, температуры воспламенения и температуры выгорания, средней и максимальной скоростей потери массы, индексов воспламеняемости и горения, а также комплексного индекса горения. Рассчитаны энергии активации процесса окисления с применением изоконверсионного метода. По полученным данным сделан вывод о перспективности использования щелочных добавок при термической утилизации низкосортного углесодержащего сырья. Установлено, что наибольшей эффективностью обладает добавка K2CO3 в количестве 10%масс.

Дука А. А., Пашкевич М. А., Сверчков И. П. Повышение эффективности термической утилизации низкосортного угольного сырья путём внесения добавок карбонатов щелочных металлов  // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2025. — № 11-1. — С. 113—130. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_111_0_113.

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

Дука Арина Александровна¹ — научный сотрудник, http://orcid.org/0009-0009-6656-7660, e-mail: duka_aa@pers.spmi.ru;
Пашкевич Мария Анатольевна¹ — докт. техн. наук, профессор, зав. кафедрой геоэкологии, http://orcid.org/0000-0001-7020-8219, е-mail: mpash@spmi.ru;
Сверчков Иван Павлович¹ — канд. техн. наук, старший научный сотрудник, http://orcid.org/0000-0003-4725-0050, e-mail: sverchkov_ip@pers.spmi.ru;
¹ Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины II, 199106, Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия, д.2, Россия.
Конфликт интересов: Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

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

1. Кондратьев С. А., Хамзина Т. А. Повышение качества концентрата во флотационном обогащении низкосортного угля // Записки Горного института. — 2024. — № 265. — С. 65–77. 
2. Министерство энергетики Российской Федерации: [сайт]. URL: https://minenergo.gov.ru/industries/coal/main-indicators/coal-processing-and-enrichment (дата обращения: 24.04.2024).
3. 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.
4. Strizhenok A. V., Bykova M. V., Korotaeva A. E. Extractive Industries as a Source of Greenhouse Gas Emissions and the Possibility of its Natural Sequestration under the Climatic Conditions of Central and Northern Eurasia // Journal of Ecological Engineering. 2024, vol. 25, no. 5, pp. 43–69. DOI: 10.12911/22998993/185585.
5. Кутепова Н. А., Мосейкин В. В., Кондакова В. Н., Поспехов Г. Б., Страупник И. А. 
Особенности инженерно-геологических свойств отходов углеобогащения в связи с их складированием // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12. — С. 77–93. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_12_0_77.
6. 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. — 2025. — Т. 274. — С. 167–171.
7. Wang Hetang, Cheng Sisi, Wang Haojie, He Jun, Fan Lan, Danilov A. S. Synthesis and properties of coal dust suppressant based on microalgae oil extraction // Fuel. 2023, vol. 338, article 127273. DOI: 10.1016/j.fuel.2022.127273.
8. 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: 10.18412/1816-0395-2024-6-10−17.
9. Li Hong Wei, Na Zhang, Tian Hua Yang. Effects of Alkaline Earth Metal on Combustion of Pulverized Coal // Advanced Materials Research. 2012, vol. 516–517, pp. 271–275.
10. Tsuyoshi Takuwa, Ichiro Naruse. Detailed kinetic and control of alkali metal compounds during coal combustion // Fuel Processing Technology. 2007, vol. 88, pp. 1029–1034. DOI: 10.1016/j.fuproc.2007.06.010.
11. Jingkuan Li, Yun Chen, Yuanyuan Zhang, Jiao Wu, Congxiu Guo, Yan Jin, Yanlin Wang. Effects of alkali and alkaline earth metals on co-combustion of sewage sludge and coal slime: Combustion characteristics, interactions, and kinetics // Journal of Environmental Management. 2024, vol. 356. DOI: 10.1016/j.jenvman.2024.120735.
12. Shi M., Zhang R., Zhang L., Shi B. Effects of alkali and alkaline earth metal species on the combustion characteristics and synergistic effects: sewage sludge and its blend with coal // Waste Management. 2022, vol. 146, pp. 119–129. DOI: 10.1016/j.wasman.2022.05.005.
13. Veraa M. J., Bell A. T. Effect of alkali metal catalysts on gasification of coal char // Fuel. 1978, vol. 57, no. 4, pp. 194–200. DOI: 10.1016/0016−2361(78)90116−3.
14. Mingzhe Shi, Rui Zhang, Lijuan Zhang, Bingquan Shi. Effects of alkali and alkaline earth metal species on the combustion characteristics and synergistic effects: Sewage sludge and its blend with coal // Waste Management. 2022, vol. 146, pp. 119–129. DOI: 10.1016/j.wasman.2022.05.005.
15. Katherine Le Manquais, Colin Snape, Jim Barker, Ian McRobbie. TGA and Drop Tube Furnace Investigation of Alkali and Alkaline Earth Metal Compounds as Coal Combustion Additive // Energy & Fuels. 2012, vol. 26, pp. 1531–1539. DOI: 10.1021/ef201936g.
16. 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 // Renew. Energy. 2023, vol. 207, pp. 275–285. DOI: 10.1016/j.renene.2023.03.022.
17. Qin Y., He Y., Ren W. Catalytic effect of alkali metal in biomass ash on the gasification of coal char in CO2 // J Therm Anal Calorim. 2020, vol. 39, pp. 3079–3089. DOI: 10.1007/s10973-019-08719-2.
18. Yao X., Zhao Z., Li J., Zhang B., Zhou H., Xu K. Experimental investigation of physicochemical and slagging characteristics of inorganic constituents in ash residues from gasification of different herbaceous biomass // Energy. 2020, vol. 198, article 117367. DOI: 10.1016/j.energy.2020.117367.
19. Han-min Xiao, Xiao-qian Ma, Zhi-yi Lai. Isoconversional kinetic analysis of co-combustion of sewage sludge with straw and coal // Applied Energy. 2009, vol. 86, pp. 1741–1745. DOI: 10.1016/j.apenergy.2008.11.016.
20. Peng Ling, Dezhi Chen, Kai Xu, Jun Xu, Mohamed E. Mostafa, Long Jiang, Yi Wang, Sheng Su, Song Hu, Jun Xiang. Insight into the synergistic effect on thermal behavior in co-pyrolysis of coal slime and sewage sludge: Kinetics, thermodynamics, dendrite neural network modelling, and evolved char structure // Journal of Cleaner Production. 2024, vol. 450, article 141790. DOI: 10.1016/j.jclepro.2024.141790.
21. Feihong Guo, Zhaoping Zhong. Optimization of the co-combustion of coal and composite biomass pellets // Journal of Cleaner Production. 2018, vol. 185, pp. 399–407. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.03.064.
22. Chuncai Zhou, Guijian Liu, Xudong Wang, Cuicui Qi. 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.
23. Александрова Т. Н., Кусков В. Б., Афанасова А. В., Кузнецов В. В. Совершенствование технологии флотационного обогащения тонких классов коксующихся углей // Обогащение руд. — 2021. — № 3. — С. 9–13. DOI: 10.17580/or.2021.03.02.
24. Feihong Guo, Zhaoping Zhong. Experimental studies on combustion of composite biomass pellets in fluidized bed // Science of The Total Environment. 2017, vol. 599–600, pp. 926–933. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2017.05.026.
25. Biao Fu, Guijian Liu, Md Manik Mian, Chuncai Zhou, Mei Sun, Dun Wu, Yuan Liu. 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.
26. Родионов В. А., Турсенев С. А., Скрипник И. Л., Ксенофонтов Ю. Г. Результаты исследования кинетических параметров самовозгорания каменноугольной пыли // Записки Горного института. — 2020. — Т. 246. — С. 617–622. DOI: 10.31897/PMI.2020.6.3.
27. Han-min Xiao, Xiao-qian Ma, Zhi-yi Lai. Isoconversional kinetic analysis of co-combustion of sewage sludge with straw and coal // Applied Energy. 2009, vol. 86, pp. 1741–1745. DOI: 10.1016/j.apenergy.2008.11.016.
28. Vyazovkin S., Wight C. A. Kinetics in solids // Annual Review of Physical Chemistry. 1997, vol. 48, no. 1, pp. 125–149. DOI: 10.1146/annurev.physchem.48.1.125.
29. Vyazovkin S., Wight C. A. Model-free and model-fitting approaches to kinetic analysis of isothermal and nonisothermal data // Thermochimica Acta. 1999, vol. 340–341, pp. 53–68. DOI: 10.1016/S0040−6031(99)00253−1.
30. Vyazovkin S., Burnham A. K., Criado J. M., Pérez-Maqueda L. A., Popescu C., Sbirrazzuoli N. ICTAC Kinetics Committee recommendations for performing kinetic computations on thermal analysis data // Thermochimica Acta. 2011, vol. 520, pp. 1–19. DOI: 10.1016/j.tca.2011.03.034.
31. 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.
32. McKee D. W. Mechanisms of the alkali metal catalysed gasification of carbon // Fuel. 1983, vol. 62, no. 2, pp. 170–175. DOI: 10.1016/0016−2361(83)90192−834. 
33. Касаткин Н. С., Аленичева А. А., Юрченко Ю. Ю., Таловина И. В. Молибден-медно-порфировая минерализация перспективного Павловичского рудного поля // Горный журнал. — 2024. — № 9. — С. 84–90. DOI: 10.17580/gzh.2024.09.13.
34. Kang Yin, Yu-Ming Zhou, Qing-Zhao Yao, Cheng Fang, Ze-Wu Zhang. Thermogravimetric analysis of the catalytic effect of metallic compounds on the combustion behaviors of coals // Reaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis Reac Kinet Mech Cat. 2012, vol. 106, no. 2, pp. 369–377. DOI: 10.1007/s11144-012-0444-2.
35. Slovák V., Taraba B. Effect of experimental conditions on parameters derived from TG-DSC measurements of low-temperature oxidation of coal // J Therm Anal Calorim. 2010, vol. 101, pp. 641–646. DOI: 10.1007/s10973-010-0878-6.