energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2023-66-1-91-100energy-2236Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGЭкспериментальное и расчетное исследование формирования композитного гранулированного топливаExperimental and Computational Study of the Formation of Composite Granular FuelОвчинниковЛ. Н.OvchinnikovL. N.

Иваново

Ivanovo 

ОвчинниковН. Л.OvchinnikovN. L.

Иваново

Ivanovo 

МитрофановА. В.MitrofanovA. V.

Иваново

Ivanovo 

ВасилевичС. В.VasilevichS. V.

Адрес для переписки:Василевич Сергей Владимирович -Белорусская государственная академия авиации,ул. Уборевича, 77,220096, г. Минск, Республика Беларусь/Тел.: +375 17 249-97-65svasilevich@yandex.ru

Address for correspondence:Vasilevich Siarhei V. - Belarusian State Academy of Aviation,77, Uborevich str.,220096, Minsk, Republic of Belarus.Tel.: +375 17 249-97-65svasilevich@yandex.ru

svasilevich@yandex.ruШпейноваН. С.ShpeynovaS. V.

Иваново

Ivanovo

Ивановский государственный химико-технологический университетРоссияIvanovo State University of Chemistry and TechnologyRussian FederationИвановский государственный энергетический университетРоссияIvanovo State Power Engineering UniversityRussian FederationБелорусская государственная академия авиацииБеларусьBelarusian State Academy of AviationBelarus20230702202366191100Copyright © Овчинников Л.Н., Овчинников Н.Л., Митрофанов А.В., Василевич С.В., Шпейнова Н.С., 20232023Овчинников Л.Н., Овчинников Н.Л., Митрофанов А.В., Василевич С.В., Шпейнова Н.С.Ovchinnikov L.N., Ovchinnikov N.L., Mitrofanov A.V., Vasilevich S.V., Shpeynova S.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2236

В настоящее время актуальной тенденцией развития энергетических комплексов ряда стран является расширение твердотопливной ниши, которое во многом обеспечивается за счет использования различных видов местного возобновляемого топлива. Оно зачастую обладает высокими теплотехническими свойствами (теплотой сгорания, зольностью и т. п.), но имеет низкие или плохо прогнозируемые физико-механические характеристики (прочность, гранулометрический состав и др.). Последнее практически исключает стабильную и эффективную работу систем автоматизации и механизации транспортировки гранул, а также технологические процессы котлоагрегатов. Создание композитных топлив с заданными физико-механическими свойствами позволяет решить эту проблему. Состав композитного топлива на основе торфа, опилок, целлюлозы и модификатора установлен на предыдущих этапах. Однако при заданном составе композиции физико-механические характеристики зависят от режимно-технологических условий получения гранул. В настоящей работе выполнено расчетно-экспериментальное исследование, направленное на поиск рациональных технологических условий гранулирования и сушки частиц композитного топлива с заданным массовым соотношением компонентов. Для приготовления топливных гранул определенного размера из исходных мелкофракционных компонентов использовалась лабораторная установка, основные элементы которой – Z-образный смеситель, шнековый гранулятор и сушилка со взвешенным слоем. Влияние независимых переменных на прочность и конечную влажность готовых гранул композитного топлива определено в рамках полного факторного эксперимента. В статье представлены графические изображения поверхностей отклика, характеризующие указанное влияние варьируемых факторов. Полученные регрессионные зависимости, описывающие влияние факторов на целевые свойства гранул, имеют линейный характер. Последнее ограничивает возможность использования градиентных методов оптимизации, поэтому необходимо искать рациональные условия с учетом ограничений, обусловленных технико-экономическими параметрами изготовления топливных гранул.

Currently, the topical trend in the development of energy complexes in a number of countries is the expansion of the solid fuel use, which is largely provided by the use of various types of local renewable fuels. The latter often have high thermal properties (heat of combustion, ash content, etc.), but have low or poorly predicted physical and mechanical characteristics (strength, granulometric composition, etc.). These circumstances practically make stable and efficient operation of automation systems, mechanization of transportation of pellets, and technological processes of boilers impossible. The formation of a composite fuel with specified physical and mechanical properties provides a solution to this problem. The structure of the composite fuel based on peat, sawdust, cellulose and modifier was established at the previous stages of our work. However, in case of a given composition, the physical and mechanical characteristics depend on the operating and technological conditions for obtaining granules. In this paper, a statistical and experimental study was carried out aimed at finding rational technological conditions for granulating and drying composite fuel particles with a given mass ratio of components. To prepare fuel pellets of a given size from the initial fine-fraction components, a laboratory installation was used, the main elements of which were a Z-shaped mixer, a screw granulator, and a fixed bed dryer. The influence of independent variables on the strength and final moisture content of finished pellets of composite fuel was determined within the framework of a full factor experiment. The paper presents graphical images of response surfaces characterizing the specified influence of variable factors. The obtained regression dependences describing the influence of factors on the target properties of granules are linear in nature. The latter limits the possibility of using gradient optimization methods and creates the need to search for rational conditions, taking into account the limitations caused by the technical and economic parameters of obtaining finished fuel pellets.

композитное гранулированное топливоторфотходы деревообработкисушкаполный факторный экспериментcomposite granular fuelpeatwoodworking wastedryingfull factor experimentReferencesКорсак, Е. П. Формирование системы угроз энергетической безопасности Республики Беларусь / Е. П. Корсак // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 4. C. 388–398. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398.Korsak E. P. (2019) Formation of the System of Threats to Energy Security of the Republic of Belarus. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (4), 388–398. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-4-388-398 (in Russian).Фортов, В. Е. Состояние развития возобновляемых источников энергии в мире и в России / В.Е. Фортов, О. С. Попель // Теплоэнергетика. 2014. № 6. С. 4–13.Fortov V. E., Popel’ O. S. (2014) The Current Status of the Development of Renewable Energy Sources Worldwide and in Russia. Thermal Engineering, 61 (6), 389–398. https://doi.org/10.1134/S0040601514060020.Пехота, А. Н. Исследование термоаналитическими методами энергетических свойств брикетированного многокомпонентного топлива / А. Н. Пехота, С. А. Филатов // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2022. Т. 65, № 2. С. 143–155. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-2-143-155.Pekhota A. N., Filatov S. A. (2022) Investigation of Energy Properties of Briquetated Multicomponent Fuel by Thermo-Analytical Methods. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 65 (2), 143–155. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2022-65-2-143-155 (in Russian).Laitinen, S. Exposure to Biological and Chemical Agents at Biomass Power Plants / S. Laitinen [et al.] // Biomass Bioenergy. 2016. Vol. 93. P. 78–86. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2016.06.025.Laitinen S., Laitinen J., Fagernäs L., Korpijärvi K., Korpinen L., Ojanen K., Aatamila M., Jumpponen M., Koponen H., Jokiniemi J. (2016) Exposure to Biological and Chemical Agents at Biomass Power Plants. Biomass and Bioenergy, 93, 78–86. https://doi.org/10.1016/j.biom bioe.2016.06.025.Thermal Processing of Biomass into High-Calorific Solid Composite Fuel / R. Tabakaev [et al.] // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis. 2017. Vol. 124. P. 94–102. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2017.02.016.Tabakaev R., Shanenkov I., Kazakov A., Zavorin A. (2017) Thermal Processing of Biomass into High-Calorific Solid Composite Fuel. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 124, 94–102. https://doi.org/10.1016/j.jaap.2017.02.016.Исследование процесса термического разложения и горения торфяного топлива / П. А. Марьяндышев [и др.] // Химия твердого топлива. 2019. № 5. С. 33–38.Maryandyshev P. A., Mukhreva I. I., Lyubov V. K., Schonnenbeck C., Trouve G., Brillard A., Brilhac J.-F. (2019) Thermal Decomposition and Combustion of Peat Fuel. Solid Fuel Chemistry, 53 (5), 283–288. https://doi.org/10.3103/S0361521919050094.Solid Biofuels for Energy. A Lower Greenhouse Gas Alternative / ed. P. Grammelis // Springer-Verlag London Limited, 2011. 242 p. https://doi.org/10.1007/978-1-84996-393-0.Grammelis P. (ed.) (2011) Solid Biofuels for Energy. A Lower Greenhouse Gas Alternative. London – Dordrecht – Heidelberg – New York, Springer-Verlag. 242. https://doi.org/10.1007/ 978-1-84996-393-0.Михайлов, А. В. Угле-торфяные композиции для сжигания в котельных / А. В. Михайлов // Записки Горного института. 2016. Т. 220. С. 538–544.Mikhailov A. V. (2016) Coal-Peat Composition for Co-Combustion in Local Boilers. Journal of Mining Institute, 220, 538–544. https://doi.org/10.18454/pmi.2016.4.538.Упрочняющие добавки для формованного древесного топлива / А. А. Макеенко [и др.] // Труды БГТУ. Серия 2. 2018. № 2. С. 51–54.Makeyenko А. А., Naumova G. V., Khmyzov I. A., Solov’yeva T. V. (2018) Strengthening Additives for Formatted Wood Fuel. Trudy BGTU. Seriya 2: Khimicheskie Tekhnologii, Biotekhnologiya, Geoekologiya [Proceedings of BSTU. Ser. 2], (2), 51–54 (in Russian).Табакаев, Р. Б. Твердое композитное топливо из низкосортного сырья / Р. Б. Табакаев, А. В. Казаков, А. С. Заворин // Известия Томского политехнического университета. Техника и технологии в энергетике. 2014. Т. 325, № 4. C. 56–64.Tabakaev R. B., Kazakov A. V., Zavorin A. S. (2014). Solid Composite Fuel from Low-Grade Raw (Technological Aspect). Izvestiya Tomskogo Politekhnicheskogo Universiteta. Tekhnika i Tekhnologii v Energetike = Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Engineering and Technology in the Energy Sector, 325 (4), 56–64 (in Russian).Christoforou, E. Advances in Solid Biofuels / E. Christoforou, P. A. Fokaides // Springer Nature Switzerland AG, 2019. 130 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-00862-8.Christoforou E., Fokaides P. A. (2019) Advances in Solid Biofuels. Cham, Springer. 130. https://doi.org/10.1007/978-3-030-00862-8.Томсон, А. Э. Торф и продукты его переработки / А. Э. Томсон, Г. В. Наумова. Минск: Беларус. навука, 2009. 328 с.Thomson A. E., Naumova G. V. (2009) Peat and its Processed Products. Minsk, Belaruskaya Navuka Publ. 328 (in Russian).Наумович, В. М. Искусственная сушка торфа / В. М. Наумович. М.: Недра, 1984. 222 с.Naumovich V. M. (1984) Artificial Drying of Peat. Moscow, Nedra Publ. 222 (in Russian).The Influence of Raw Material Characteristics on the Industrial Pelletizing Process and Pellet Quality / M. Arshadi [et al.] // Fuel Processing Technology. 2008. Vol. 89, Iss. 12. P. 1442–1447. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2008.07.001.Arshadi M., Gref R., Geladi P., Dahlqvist S.-A., Lestander T. (2008) The Influence of Raw Material Characteristics on the Industrial Pelletizing Process and Pellet Quality. Fuel Processing Technology, 89 (12), 1442–1447. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2008.07.001.Experimental Verification of Novel Pellet Model Using a Single Pelleter Unit / J. K. Holm [et al.] // Energy and Fuels. 2007. Vol. 21, Iss. 4. P. 2446–2449. https://doi.org/doi.org/10.1021/EF070156L.Holm J. K., Henriksen U. B., Wand K., Hustad J. E., Posselt D. (2007) Hustad and Dor the Posselt. Experimental Verification of Novel Pellet Model Using a Single Pelleter Unit. Energy and Fuels, 21 (4), 2446–2449. https://doi.org/10.1021/EF070156L.Овчинников, Л. Н. Исследование процесса получения комплексных гранулированных органоминеральных удобрений пролонгированного действия на основе торфа / Л. Н. Овчинников // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. 2017. Т. 60, № 9. С. 100–104.Ovchinnikov L. N. (2017). Investigation of Process of Obtaining Complex Granulated Organo-Mineral Fertilizers of Prolonged Action Based on Peat. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Khimiya i Khimicheskaya Tekhnologiya = ChemChemTech, 60 (9), 100–104 (in Russian).Application of the Theory of Markov Chains to Theoretical Study of Processes in a Circulating Fluidized Bed / A. Mitrofanov [et al.] // Particulate Science and Technology. 2017. Vol. 37, Iss. 8. P. 1028–1033. https://doi.org/10.1080/02726351.2018.1525459.Mitrofanov A., Mizonov V., Camelo A., Tannous K. (2019) Application of the Theory of Markov Chains to Theoretical Study of Processes in a Circulating Fluidized Bed. Particulate Science and Technology, 37 (8), 1032–1038. https://doi.org/10.1080/02726351.2018.1525459.Ахназарова, С. Л. Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии / С. Л. Ахназарова, В. В. Кафаров. М.: Высш. школа, 1978. 319 с.Akhnazarova S. L., Kafarov V. V. (1978) Optimization of Experiment in Chemistry and Chemical Technology. Moscow, Vysshaya Shkola Publ. 319 (in Russian).Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. М.: Наука, 1976. 279 с.Adler Yu. P., Markova E. V., Granovsky Yu. V. (1976) Experiment Planning in the Search for Optimal Conditions. Moscow, Nauka Publ. 279 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.