Mathematical modeling of wood-coal pellet ignition in combined heating

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The article presents the results of mathematical modeling of the ignition process of fuel pellets based on coal and biomass under high-temperature combined radiation-convective-microwave heating in an oxidizing environment. A new mathematical model of the ignition process of a composite fuel particle is presented, which differs from the known ones by a complete description of the entire complex of thermophysical, physicochemical and electrophysical processes occurring during ignition of wood-coal pellets under conditions of radiation-convective and microwave heating. The mathematical model was tested by comparative analysis of theoretical and experimental values of ignition delay times. According to the results of numerical modeling, it was found that the ignition process of fuel (composite fuels based on coal and biomass) pellets occurs in the gas phase (in the near-wall zone of the fuel pellet). At the same time, oxygen released during thermal decomposition of coal is not enough for stable ignition in the pore space of the fuel particle. For the first time, the prospects of using microwave energy for the purpose of illuminating the main fuel torch have been substantiated based on the results of theoretical studies.

About the authors

G. V. Kuznetsov

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: syrodoy@tpu.ru
Tomsk, Russia

S. V. Syrodoy

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: syrodoy@tpu.ru
Tomsk, Russia

M. V. Purin

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: syrodoy@tpu.ru
Tomsk, Russia

Zh. A. Kostoreva

National Research Tomsk Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: syrodoy@tpu.ru
Tomsk, Russia

References

  1. Quintero-Coronel D.A., Lenis-Rodas Y.A., Corredor L.A., Perreault P., Gonzalez-Quiroga A. // Energy. 2021. V. 220. Article 119702.
  2. Wu H., Zeng Xi., Hao S., Liu B., Zhang Y. et al. // Fuel. 2024. V. 363. Article 131051.
  3. Syrodoy S.V. Malyshev D. Yu., Nigay N.A., Purin M.V. // Process Saf. Environ. Prot. 2024. V. 184. P. 736.
  4. Syrodoy S.V., Kuznetsov G.V., Gutareva N. Yu., Nigay (Ivanova) N.A. // Renewable Energy. 2022. V. 185. P. 1392.
  5. Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Gutareva N.Yu., Ni­gay N.A. // J. Energy Inst. 2021. V. 96. P. 280.
  6. Syrodoy S.V., Kostoreva J.A., Kostoreva A.A., Asadul­lina L.I. // Ibid. 2020. V. 93. № 2. P. 443.
  7. Lee D., Lee Ji-H., Kim G.-M., Jeong J.-S., Kim S.-M. et al. // Renewable Energy. 2024. V. 226. Article 120198.
  8. Cheng W., Chen J., Yang W., Jiang H., Zhu Y. et al. // Energy. 2024. V. 313. Article 133769.
  9. Li J., Paul M.C., Czajkav K.M. // Energy Fuels. 2016. V. 30. № 7. P. 5870.
  10. Fatehi H., Weng W., Costac M., Li Z., Rabaçal M. et al. // Combust. and Flame. 2019. V. 206. P. 400.
  11. Wang X., Luo Zh., Wang Y., Zhu P., Wang Sh. et al. // J. Energy Inst. 2024. V. 115. Article 101707.
  12. Szufa S., Piersa S., Junga R., Błaszczuk A., Modliński N. et al. // Energy. 2023. V. 263, Part E. Article 125918.
  13. Li L., Memon M. Z., Xie Y., Gao S., Guo Y. et al. // Circular Economy (China). 2023. V. 2. Article 100063.
  14. Goshayeshi B., Sutherland J.C. // Combust. and Flame. 2014. V. 161. № 7. P. 1900.
  15. Frank-Kamenetsky D.A. // Adv. Chem. 1938. V. 7. P. 1278.
  16. Frank-Kamenetsky D.A. // J. Tech. Phys. 1939. V. 9. P. 1457.
  17. Frank-Kamenetsky D.A. // DAN USSR. 1941. V. 30. P. 729.
  18. Spalding D.B. // Proc. 4th Sympos (Intern.) on Combust. Pittsburgh: The Combust. Inst., 1953. № 1. P. 847.
  19. Shi X., Wu H., Jin P., Zhang Y., Zhang Y. et al. // Energy. 2023. V. 281. Article 128192.
  20. Zhang T., Zhou Y., Hu Zh. // Fuel Process Technol. 2023. V. 247. Article 107749.
  21. Reddy M.P., Singh A.S., Reddy V.M., Elwardany A., Reddy H. // Alexandria Eng. J. 2022. V. 61. № 8. P. 6169.
  22. https:doi.org/10.1016/j.aej.2021.11.047
  23. Yang W., Zhang Y., Liu B., Xu K., Zhang H. // Fuel. 2022. V. 314. Article 122772.
  24. Zhang T., Hu Zh., Zhou Y. // Combust. Flame. 2022. V. 241. Article 112092.
  25. Mularski J., Lue L., Li J. // Fuel. 2023. V. 348. Article 128520.
  26. Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Kostoreva Zh.A., Ni­gay N.A., Purin M.V. et al. // Combust. and Flame. 2024. V. 262. Article 113353.
  27. Frank-Kamenetsky D.A. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics. Moscow: Nauka, 1967 [in Russian].
  28. Dogonchi A.S., Bondareva N.S., Sheremet M.A., El-Sapa Sh., Chamkha Ali J. et al. // J. Energy Storage. 2023. V. 72. № 7. Article 108745.
  29. Bondareva N.S., Sheremet M.A. // Intern. J. Thermo­fluids. 2023. V. 19. Article 100374.
  30. Gol’din V. Y., Chetverushkin B.N. // Zh. Vychisl. Mat. Mat. Fiz. 1972. V. 12. № 4. P. 990.
  31. Chen Y., Aanjaneya K., Atreya A. // Fire Saf. J. 2017. V. 91. P. 820.
  32. Galgano A., Blasi C. Di. // Combust. and Flame. 2004. V. 139. № 1–2. P. 16.
  33. Paea S. Coal pyrolysis distribution. Wellington, New Zealand: Victoria University of Wellington, 2008.
  34. Bondarev A.E. Preprint № 073. Moscow: M.V. KelIdysh Institute of Applied Mathematics, 2008.
  35. Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Malyshev D.Yu., Guta­reva N.Yu, Nigay N.A. // Appl. Therm. Eng. 2020. V. 170. Article 115034.
  36. Vukalovich M.P., Rivkin S.L., Alexandrov A.A. Tables of Thermophysical Properties of Water and Steam. Moscow: Standard,1969.
  37. Agroskin A.A., Gleybman V.B. Thermophysics of Solid Fuels. Moscow: Nedra, 1980.
  38. Gryaznov N.S. Pyrolysis of Coals in the Coking Process. Moscow: Metallurgiya, 1983.
  39. Agroskin A.A. Physical Properties of Coal. Moscow: Metallurgizdat, 1961.
  40. Zeldovich Ya.B. Selected works. Chemical physics and hydrodynamics. Moscow: Nauka, 1984.
  41. Semenov N.N. // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 1940. V. 24. № 4. P. 433. [In Russian].
  42. Vilyunov V.N. Theory of ignition of condensed substances. Novosibirsk: Nauka (Siberian Branch), 1984.
  43. Basevich V.Ya. // Russ. Chem. Rev. 1987. V. 56. № 5. P. 705.
  44. Samarskii A.A. // USSR Comput. Math. Math. Phys. 1963. V. 3. № 5. P. 572.
  45. Samarsky A.A., Gulin A. V. Numerical Methods. Moscow: Nauka, 1989.
  46. Samarsky A.A. Introduction to the Theory of Difference Schemes. Moscow: Nauka, 1971.
  47. Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Purin M.V., Karelin V.A., Nigay N.A. et al. // Energy. 2024. V. 288. Article 129579.
  48. Physical Encyclopedia / Ed. Prokhorov A.M. Moscow: The Great Russian Encyclopedia, 1992. V. 3.
  49. Yee K. // IEEE Trans. Antennas Propag. 1966. V. 14. № 3. P. 302.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».