Himičeskaâ fizikaHimičeskaâ fizikaХимическая физика0207-401XThe Russian Academy of Sciences68899910.31857/S0207401X25080043Combustion, explosion and shock wavesГорение, взрыв и ударные волныResearch ArticleMathematical modeling of wood-coal pellet ignition in combined heatingМатематическое моделирование зажигания древесно-угольной пеллеты при комбинированном нагревеKuznetsovG. V.КузнецовГ. В.
Russian Federation
syrodoy@tpu.ruSyrodoyS. V.СыродойС. В.
Russian Federation
syrodoy@tpu.ruPurinM. V.ПуринМ. В.
Russian Federation
syrodoy@tpu.ruKostorevaZh. A.КостореваЖ. А.
Russian Federation
syrodoy@tpu.ruNational Research Tomsk Polytechnic UniversityНациональный исследовательский Томский политехнический университет1508202544833471108202511082025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0207-401X/article/view/688999

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.

В статье приведены результаты математического моделирования процесса зажигания топливной пеллеты на основе угля и биомассы при высокотемпературном комбинированном радиационно-конвективном и микроволновом нагреве в окислительной среде. Представлена новая математическая модель процесса зажигания частицы композиционного топлива, отличающаяся от известных моделей полным описанием всего комплекса теплофизических, физико-химических и электрофизических процессов, протекающих при зажигании древесно-угольных пеллет в условиях радиационно-конвективного и микроволнового нагревов. Апробация математической модели проведена путем сравнительного анализа теоретических и экспериментальных значений времен задержки зажигания. По результатам численного моделирования установлено, что процесс зажигания топливных пеллет (на основе угля и биомассы) происходит в газовой фазе (в пристеночной топливной пеллете зоне). При этом кислорода, выделяющегося при термическом разложении угля, не хватает для стабильного зажигания во внутрипоровом пространстве топливной частицы. Впервые по результатам теоретических исследований обоснована перспективность использования микроволновой энергии с целью подсветки основного факела топлива.

coalwoodpelletbiomassignitionignition delay timemathematical modelingугольдревесинапеллетабиомассавоспламенениевремя задержки зажиганияматематическое моделированиеРоссийский Научный ФондRussian Science Foundation23-79-01067Quintero-Coronel D.A., Lenis-Rodas Y.A., Corredor L.A., Perreault P., Gonzalez-Quiroga A. // Energy. 2021. V. 220. Article 119702.Wu H., Zeng Xi., Hao S., Liu B., Zhang Y. et al. // Fuel. 2024. V. 363. Article 131051.Wu H., Zeng X., Hao S., Liu B., Zhang Y. et al. // Fuel. 2024. V. 363. Article 131051.Syrodoy S.V. Malyshev D. Yu., Nigay N.A., Purin M.V. // Process Saf. Environ. Prot. 2024. V. 184. P. 736.Syrodoy S.V., Malyshev D.Yu., Nigay N.A., Purin M.V. // Process Saf. Environ. Prot. 2024. V. 184. P. 736.Syrodoy S.V., Kuznetsov G.V., Gutareva N. Yu., Nigay (Ivanova) N.A. // Renewable Energy. 2022. V. 185. P. 1392.Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Gutareva N.Yu., Nigay N.A. // J. Energy Inst. 2021. V. 96. P. 280.Syrodoy S.V., Kostoreva J.A., Kostoreva A.A., Asadullina L.I. // Ibid. 2020. V. 93. № 2. P. 443.Lee D., Lee Ji-H., Kim G.-M., Jeong J.-S., Kim S.-M. et al. // Renewable Energy. 2024. V. 226. Article 120198.Lee D., Lee J.-H., Kim G.-M., Jeong J.-S., Kim S.-M. et al. // Renewable Energy. 2024. V. 226. Article 120198.Cheng W., Chen J., Yang W., Jiang H., Zhu Y. et al. // Energy. 2024. V. 313. Article 133769.Cheng W., Chen J., Yang W., Jiang H., Zhu Y. et al. // Energy (Oxf.). 2024. V. 313. Article 133769.Li J., Paul M.C., Czajkav K.M. // Energy Fuels. 2016. V. 30. № 7. P. 5870.Li J., Paul M.C., Czajka K.M. // Energy Fuels. 2016. V. 30. № 7. P. 5870.Fatehi H., Weng W., Costac M., Li Z., Rabaçal M. et al. // Combust. and Flame. 2019. V. 206. P. 400.Wang X., Luo Zh., Wang Y., Zhu P., Wang Sh. et al. // J. Energy Inst. 2024. V. 115. Article 101707.Szufa S., Piersa S., Junga R., Błaszczuk A., Modliński N. et al. // Energy. 2023. V. 263, Part E. Article 125918.Li L., Memon M. Z., Xie Y., Gao S., Guo Y. et al. // Circular Economy (China). 2023. V. 2. Article 100063.Li L., Memon M.Z., Xie Y., Gao Sh., Guo Y. et al. // Circular Economy (China). 2023. V. 2. Article 100063.Goshayeshi B., Sutherland J.C. // Combust. and Flame. 2014. V. 161. № 7. P. 1900.Frank-Kamenetsky D.A. // Adv. Chem. 1938. V. 7. P. 1278.Франк–Каменецкий Д.А. // Успехи химии. 1938. Т. 7. № 9. С. 1278.Frank-Kamenetsky D.A. // J. Tech. Phys. 1939. V. 9. P. 1457.Франк-Каменецкий Д.А. // Журн. техн. физики. 1939. Т. 9. № 6. С. 1457.Frank-Kamenetsky D.A. // DAN USSR. 1941. V. 30. P. 729.Франк-Каменецкий Д.А. // ДАН СССР. 1941. Т. 30. № 8. С. 729.Spalding D.B. // Proc. 4th Sympos (Intern.) on Combust. Pittsburgh: The Combust. Inst., 1953. № 1. P. 847.Spalding D.B. // Proc. 4th Sympos. (Intern.) on Combust. Pittsburgh: The Combust. Inst., 1953. № 1. P. 847.Shi X., Wu H., Jin P., Zhang Y., Zhang Y. et al. // Energy. 2023. V. 281. Article 128192.Zhang T., Zhou Y., Hu Zh. // Fuel Process Technol. 2023. V. 247. Article 107749.Reddy M.P., Singh A.S., Reddy V.M., Elwardany A., Reddy H. // Alexandria Eng. J. 2022. V. 61. № 8. P. 6169. https:doi.org/10.1016/j.aej.2021.11.047Reddy M.P., Singh A.S., Reddy V.M. et al. // Alexandria Eng. J. 2022. V. 61. № 8. P. 6169. https://doi.org/10.1016/j.aej.2021.11.047.Yang W., Zhang Y., Liu B., Xu K., Zhang H. // Fuel. 2022. V. 314. Article 122772.Zhang T., Hu Zh., Zhou Y. // Combust. Flame. 2022. V. 241. Article 112092.Zhang T., Hu Zh., Zhou Y. // Combust. and Flame. 2022. V. 241. Article 112092.Mularski J., Lue L., Li J. // Fuel. 2023. V. 348. Article 128520.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.Frank-Kamenetsky D.A. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics. Moscow: Nauka, 1967 [in Russian].Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 2-е изд., доп. и перераб. М.: Наука, 1967.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.Bondareva N.S., Sheremet M.A. // Intern. J. Thermofluids. 2023. V. 19. Article 100374.Gol’din V. Y., Chetverushkin B.N. // Zh. Vychisl. Mat. Mat. Fiz. 1972. V. 12. № 4. P. 990.Гольдин В.Я., Четверушкин Б.Н. // Журн. вычисл. математики и мат. физики. 1972. Т. 12. № 4. С. 990.Chen Y., Aanjaneya K., Atreya A. // Fire Saf. J. 2017. V. 91. P. 820.Galgano A., Blasi C. Di. // Combust. and Flame. 2004. V. 139. № 1–2. P. 16.Paea S. Coal pyrolysis distribution. Wellington, New Zealand: Victoria University of Wellington, 2008.Paea S. Coal pyrolysis distribution. Wellington (New Zealand): Victoria University of Wellington, 2008.Bondarev A.E. Preprint № 073. Moscow: M.V. KelIdysh Institute of Applied Mathematics, 2008.Бондарев А.Е. Препринт № 073. М.: ИПМ им. М.В. Келдыша, 2008.Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Malyshev D.Yu., Gutareva N.Yu, Nigay N.A. // Appl. Therm. Eng. 2020. V. 170. Article 115034.Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Malyshev D.Yu., Gutareva N.Yu., Nigay N.A. // Appl. Therm. Eng. 2020. V. 170. Article 115034.Vukalovich M.P., Rivkin S.L., Alexandrov A.A. Tables of Thermophysical Properties of Water and Steam. Moscow: Standard,1969.Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. Справ. М.: Изд-во стандартов. 1969.Agroskin A.A., Gleybman V.B. Thermophysics of Solid Fuels. Moscow: Nedra, 1980.Агроскин А. А., Глейбман В.Б. Теплофизика твердого топлива. М.: Недра, 1980.Gryaznov N.S. Pyrolysis of Coals in the Coking Process. Moscow: Metallurgiya, 1983.Грязнов Н.С. Пиролиз углей в процессе коксования. М.: Металлургия, 1983.Agroskin A.A. Physical Properties of Coal. Moscow: Metallurgizdat, 1961.Агроскин А.А. Физические свойства угля. М.: Металлургиздат, 1961.Zeldovich Ya.B. Selected works. Chemical physics and hydrodynamics. Moscow: Nauka, 1984.Зельдович Я.Б. Избранные труды. Химическая физика и гидродинамика. М.: Наука, 1984.Semenov N.N. // Uspekhi Fizicheskikh Nauk. 1940. V. 24. № 4. P. 433. [In Russian].Семенов Н.Н. // Успехи физ. наук. 1940. Т. 24. № 4. С. 433.Vilyunov V.N. Theory of ignition of condensed substances. Novosibirsk: Nauka (Siberian Branch), 1984.Вилюнов В.Н. Теория зажигания конденсированных веществ. Новосибирск: Наука (Сибирское отделение), 1984.Basevich V.Ya. // Russ. Chem. Rev. 1987. V. 56. № 5. P. 705.Басевич В.Я. // Успехи химии. 1987. Т. 56. № 5. С. 705.Samarskii A.A. // USSR Comput. Math. Math. Phys. 1963. V. 3. № 5. P. 572.Самарский А.А. // Журн. вычисл. математики и мат. физики. 1963. Т. 3. № 3. С. 431.Samarsky A.A., Gulin A. V. Numerical Methods. Moscow: Nauka, 1989.Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. Учеб. пособие. М.: Наука, 1989.Samarsky A.A. Introduction to the Theory of Difference Schemes. Moscow: Nauka, 1971.Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука, 1971.Kuznetsov G.V., Syrodoy S.V., Purin M.V., Karelin V.A., Nigay N.A. et al. // Energy. 2024. V. 288. Article 129579.Physical Encyclopedia / Ed. Prokhorov A.M. Moscow: The Great Russian Encyclopedia, 1992. V. 3.Физическая энциклопедия / Под ред. Прохорова А.М. В 5 т. М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. Т. 3.Yee K. // IEEE Trans. Antennas Propag. 1966. V. 14. № 3. P. 302.