Evolution of the structure and mechanical strength of a coal particle during combustion in the atmosphere of air and the mixture of oxygen and carbon dioxide

• Autorzy: Pełka P. , Golański G. , Wieczorek P.

Warianty tytułu

PL

Ewolucja struktury oraz wytrzymałości mechanicznej ziarna węgla podczas spalania w atmosferze powietrza oraz mieszaninie tlenu i dwutlenku węgla

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The research was conducted on the basis of four different types of hard coal and one type of brown coal. There are typical coals commonly used as fuel in Polish CFB boilers. The combustion process was conducted at a temperature of 850°C and the atmosphere of ambient air as well as in the mixture of oxygen and carbon dioxide in different proportions. The research was carried out using specially prepared cubical coal particles with measurements of 15×15mm and also 10×10 mm. The change of the mechanical properties was analyzed based on three parameters, i.e. compression strength, Vickers hardness and fracture toughness. The analysis was supplemented by microscopic images of the surface of the particles using an atomic force microscope. The results obtained clearly indicated the mechanical changes of the coal during its combustion, particularly at the moment of ignition of the char. Moreover, the results correlate very well with the processes of coal comminution that have been described by other authors (Basu, 1999; Chirone et al., 1991) during combustion in the circulating fluidized bed and also explain the sudden change of susceptibility to erosion in the conditions with and without combustion. The measured values can be used as strength parameters in the modelling of the mass loss of coal particles in conditions of circulating fluidized bed combustor that are hard to describe.

PL

Badania przeprowadzono na podstawie czterech węgli kamiennych różnego typu oraz jednego węgla brunatnego. Są to typowe węgle energetyczne wykorzystywane powszechnie jako paliwo w kotłach fluidyzacyjnych w Polsce. Proces spalania był prowadzony w temperaturze 850°C w atmosferze powietrza atmosferycznego oraz w atmosferze mieszaniny tlenu oraz dwutlenku węgla w różnych proporcjach. Badania przeprowadzono na spreparowanych do tego celu sześciennych próbkach węgla o wymiarach 15×15 mm oraz 10×10 mm. Zmianę własności mechanicznych przeanalizowano w oparciu o trzy parametry: wytrzymałość na ściskanie, twardości Vickersa oraz współczynnik kruchości. Analizę uzupełniono zdjęciami mikroskopowymi powierzchni ziaren wykonanymi za pomocą mikroskopu sił atomowych. Otrzymane rezultaty wskazują na bardzo wyraźne zmiany wytrzymałościowe węgla podczas jego spalania, szczególnie w chwili zapłonu karbonizatu. Uzyskane wyniki bardzo dobrze korelują z opisywanymi przez innych autorów procesami rozdrabniania węgla (Basu, 1999; Chirone et al., 1991) podczas spalania w warunkach cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej. Tłumaczą gwałtowną zmianę podatności na erozję w warunkach bez spalania oraz z towarzyszącym spalaniem. Rezultaty badań mogą posłużyć jako parametry wytrzymałościowe w modelowaniu ubytku masy ziaren węgla w trudnych do opisania warunkach cyrkulacyjnej warstwy fluidalnej.

Słowa kluczowe

EN

combustion; comminution; mechanical properties

PL

spalanie; rozdrabnianie; właściwości mechaniczne

• Wydawca: Instytut Mechaniki Górotworu PAN
• Czasopismo: Archives of Mining Sciences
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 58, no. 3
• Strony: 673--690
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Pełka P.

• Czestochowa University of Technology, Department of Thermal Machinery, Armii Krajowej 21, 42-201 Czestochowa, Poland

autor

Golański G.

• Czestochowa University of Technology, Institute of Materials Engineering, Armii Krajowej 19, 42-200 Czestochowa, Poland

autor

Wieczorek P.

• Czestochowa University of Technology, Institute of Materials Engineering, Armii Krajowej 19, 42-200 Czestochowa, Poland

Bibliografia

• Basu P., 1999. Combustion of coal in circulating fluidized-bed boilers: a review. Chem. Eng. Sci. 54, 5547.
• Basu P., Fraser S.A., 1991. Circulating fluidized bed boilers. Butterworth-Heinemann, USA.
• Bis Z., 2010. Kotły fluidalne. Teoria i Praktyka. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej. Częstochowa.
• Chirone R., Salatino P., Massimilla L., 1989. Secondary fragmentation of char particles during combustion in a fluidizedbed. Combust. Flame 77, 79.
• Chirone R., Massimilla L., Salatino P., 1991. Comminution of carbons in fluidized bed combustion. Prog. Energy Combust.\ Sci. 17, 297-326.
• Gajewski W., Kosowska-Golchowska M., 2007. The thermal fragmentation of coal in a bubbling fluidized bed. Archives of Thermodynamics, vol. 28, no 2, p. 85-96.
• Ghadiri M., Zhang Z., 2002. Impact attrition of particulate solids. Part 1; A theoretical model of chipping. Chem. Engng. Sci., 57, 3659-3669.
• Hupa M., 2008. Ash behaviour in fluidized bed combustion recent research highlighs. Proc. Of 9 th International Conference on CFB - 9.
• Kijo-Kleczkowska A., 2010. Research on destruction mechanism of drops and evolution of coal-water suspension incombustion process. Arch. Min. Sci., Vol. 55, No 4, p. 923-946.
• Kijo-Kleczkowska A., 2012. Research on coal-water fuel combustion in a circulating fluidized bed. Arch. Min. Sci., Vol. 57, No 1, p. 79-92.
• Klepaczko J.R., Bassim M.N., Hsu T.R., 1984. Fracture toughness of coal under quasi - static and impact loading. Eng. Fracture Mechanics 19, 2, 305-316.
• Massimilla L., Salatino P., 1987. A theoretical approach to the characterization of carbon attrition in a fluidized bedcombustor. Chem. Engng Commun. 62, 285.
• Pelka P., 2009. Analysis of a coal particle mass loss burning in flow of inert material. Combust Flame 156, 1604.
• Pelka P., 2011. Modeling of mass loss of char particle during combustion on flow of inert material. Fuel 90, 932.
• Ray Y.C., Jiang T.S, Wen C.Y., 1987. Attrition and changes in particle size distribution of lime sorbent in a circulatingfluidized bed absorber. Powder Technol. 49, 193.
• Salatino P., Massimilla L., 1985. A descriptive model of carbon attrition in the fluidized combustion of coal char. Chem. Engng Sci. 40, 1905.