Науковий вісник НГУ

Технологія спільного спалювання вугілля й біомаси: особливості, стан і перспективи

• 
• 

Рейтинг користувача:  / 0

ГіршийКращий 

Деталі

Категорія: Зміст №4 2025

Останнє оновлення: 26 серпня 2025

Опубліковано: 30 листопада -0001

Перегляди: 1951

Authors:

В. О. Джежулей, orcid.org/0009-0002-5354-5613, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

І. В. Безценний*, orcid.org/0000-0001-6536-5121, Інститут теплоенергетичних технологій НАН України, м. Київ, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Д. Л. Бондзик, orcid.org/0000-0003-3123-1971, Інститут теплоенергетичних технологій НАН України, м. Київ, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

Н. І. Дунаєвська, orcid.org/0000-0003-3271-8204, Інститут теплоенергетичних технологій НАН України, м. Київ, Україна, e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

* Corresponding author e-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

повний текст / full article

Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu. 2025, (4): 046 - 054

https://doi.org/10.33271/nvngu/2025-4/046

Abstract:

Мета. Дослідження спрямоване на аналіз технології спільного спалювання біомаси й вугілля (ССБВ) як ефективного методу зниження викидів парникових газів і часткового переходу до відновлюваних джерел енергії. Особлива увага приділяється застосуванню цієї технології в умовах України з урахуванням енергетичних викликів під час війни та необхідності модернізації вугільної генерації.

Методика. У даній роботі був застосований комплексний підхід, що поєднує аналіз експериментальних і розрахункових досліджень. Проведено систематизований огляд світового досвіду впровадження технологій спільного спалювання вугілля й біомаси з використанням наукових баз даних за період 2012–2024 років. Отримані дані про світові практики стали теоретичною основою для аналізу напрямів досліджень технології ССБВ, необхідних для впровадження цієї технології в Україні.

Результати. Дослідження виявило, що технологія ССБВ є ефективним інструментом декарбонізації вугільної енергетики, особливо для країн із високою залежністю від вугілля, таких як Україна. Отримані результати показали, що оптимальна частка біомаси в паливній суміші при прямому факельному спалюванні становить біля 10 %, що дозволяє знизити викиди NO_x на 3‒17 % а SO₂ на 9 % без необхідності капітальної реконструкції котлів. При цьому виявлено синергетичний ефект ‒ при спільному термолізі вугілля з біомасою вихід летких речовин збільшується на 3‒9 % у порівнянні з розрахунковими значеннями, що суттєво покращує процеси займання й горіння антрациту. Однак збільшення частки біомаси в існуючих факельних котлах понад 10 % призводить до зростання механічного недопалу й може викликати проблеми зі шлакуванням через високий вміст лужних металів у біомасі.

Наукова новизна. Дане дослідження комплексно аналізує технологію спільного спалювання вугілля й біомаси в умовах української енергосистеми, зокрема для котлів типу ТПП-210А. Робота пропонує детальний огляд синергетичних ефектів, що виникають при спалюванні сумішей, та обґрунтовує оптимальні співвідношення компонентів для мінімізації викидів. Дослідження також встановлює оптимальний вміст біомаси в існуючих факельних котлах (до 10 %), за яких досягається баланс між екологічною ефективністю й технологічною безпекою процесу.

Практична значимість. Дослідження доводить, що технологія спільного спалювання вугілля й біомаси є найбільш доступним та ефективним рішенням для покрокової декарбонізації української енергосистеми. Отримані результати надають конкретні рекомендації щодо модернізації існуючих котлів без значних капітальних витрат, зокрема, оптимальні співвідношення й методи подачі компонентів суміші. Матеріали дослідження є цінним джерелом для розробки державних програм підтримки відновлюваної енергетики, оскільки наводять реальні механізми скорочення викидів CO₂ на 5‒20 % на вугільних ТЕС.

Ключові слова: спільне спалювання, біомаса, вугілля, синергетичний ефект

References.

1. International Energy Agency (2024). World energy outlook 2024. Retrieved from https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2024

2. Intergovernmental Panel on Climate Change (2023). Climate change 2023: Synthesis report. Longer report (AR6 SYR). Retrieved from https://www.ipcc.ch/report/ar6/syr/downloads/report/IPCC_AR6_SYR_LongerReport.pdf

3. World Health Organization (2025, February 26). WHO unveils updated global database of air quality standards. Retrieved from https://www.who.int/news/item/26-02-2025-who-unveils-updated-global-database-of-air-quality-standards

4. Ember (2025, April). Global electricity review 2025. Retrieved from https://ember-energy.org/app/uploads/2025/04/Report-Global-Electricity-Review-2025.pdf

5. Chernyavskyy, M., Makarov, V., Kaplin, M., Bilan, T., & Yevtukhova, T. (2024). Prospects for Coal-Fired Power Plants Fuel Supply in Ukraine. In V. Babak & A. Zaporozhets (Eds.). Systems, Decision and Control in Energy VI, 561. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-031-68372-5_8

6. Ukrainska Enerhetyka (2024). “Energoatom” plans to increase electricity production by 2.3 % in 2024. Retrieved from https://ua-energy.org/uk/posts/enerhoatom-planuie-zbilshyty-vyrobnytstvo-u-2024-rotsi-na-23

7. Volchyn, I., Dunayevska, N., Haponych, L., Chernyavskyi, M., Topal, A., & Zasyadko, Y. (2013). Prospects for the implementation of clean coal technologies in the energy sector of Ukraine. GNOZIS.

8. International Energy Agency (IEA) (2024). Ukraine’s energy security and the coming winter. Retrieved from https://www.iea.org/reports/ukraines-energy-security-and-the-coming-winter

9. Nafta i Haz Ukrainy (2024). Ukraine’s energy system: status at the end of 2024 and scenarios for 2025. Retrieved from https://oil-gas.com.ua/statti/enerhetychna_systema_ukrainy_stan_na_kinets_2024_roku_ta_stsenarii_na_2025

10.      Triani, M., Tanbar, F., Cahyo, N., Sitanggang, R., Sumiarsa, D., & Lara Utama, G. (2022). The Potential Implementation of Biomass Co-firing with Coal in Power Plant on Emission and Economic Aspects: A Review. EKSAKTA: Journal of Sciences and Data Analysis. https://doi.org/10.20885/eksakta.vol3.iss2.art4

11.      Sidiq, A. N. (2022). Pengaruh Co-Firing Biomassa terhadap Efisiensi Boiler PLTU Batubara. KILAT, 11(1), 21-31. https://doi.org/10.33322/kilat.v11i1.1553

12.      Aizat Nudri, N., Azlina Wan Abdul Karim Ghani, W., Thomas Bachmann, R., Hang Tuah Baharudin, B. T., Ng Kok Sum, D., & Syazarudin Md Said, M. (2020). Co-combustion of oil palm trunk biocoal / sub-bituminous coal fuel blends. Energy Conversion and Management: X, 100072. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2020.100072

13.      Agbor, E., Zhang, X., & Kumar, A. (2014). A review of biomass co-firing in North America. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 40, 930-943. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.195

14.      Tillman, D. A., Duong, D., & Harding, N. S. (2012). Solid fuel blending: Principles, practices, and problems. Elsevier, Butterworth-Heinemann.

15.      International Energy Agency – Energy Technology Systems Analysis Programme (2013). Biomass co-firing in coal power plants (Technology Brief E21). Retrieved from https://iea-etsap.org/E-TechDS/PDF/E21IR_Bio-cofiring_PL_Jan2013_final_GSOK.pdf

16.      Moura, P. R.S., de Aquino, T. F., Bianchi, F. M., Viola, V. O., Bonetti, B., de Souza Martins, L., & Milanese, F. H. (2025). Co-combustion of coal and biomass waste in pilot-scale for energy use. Environmental Progress & Sustainable Energy. https://doi.org/10.1002/ep.14608

17.      Liu, J., Man, R., Ma, S., Li, J., Wu, Q., Peng, J., & Xi, H. (2016). Study on ash composition and acidic gases emissions during co-combustion of domestic waste and coal. Journal of Mines, Metals and ­Fuels, 64, 530-536.

18.      Knapp, S., Güldemund, A., Weyand, S., & Schebek, L. (2019). Evaluation of co-firing as a cost-effective short-term sustainable CO₂ mitigation strategy in Germany. Energy, Sustainability and Society, 9(1). https://doi.org/10.1186/s13705-019-0214-3

19.      Rahmanta, M. A., Aprilana, A., Ruly, Cahyo, N., Hapsari, T. W. D., & Supriyanto, E. (2024). Techno-Economic and Environmental Impact of Biomass Co-Firing with Carbon Capture and Storage in Indonesian Power Plants. Sustainability, 16(8), 3423. https://doi.org/10.3390/su16083423

20.      Yin, C., Wang, Y., Fang, Q., Chen, X., Yan, H., & Ma, L. (2024). Self-heating and spontaneous ignition of biomass storage piles: Towards a reliable prediction tool. Renewable Energy, 228, 120683. https://doi.org/10.1016/j.renene.2024.120683

21.      Yin, C., Rosendahl, L., & Kær, S. K. (2012). Towards a better understanding of biomass suspension co-firing impacts via investigating a coal flame and a biomass flame in a swirl-stabilized burner flow reactor under same conditions. Fuel Processing Technology, 98, 65-73. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2012.01.024

22.      Vassilev, S. V., Baxter, D., Andersen, L. K., & Vassileva, C. G. (2013). An overview of the composition and application of biomass ash. Fuel, 105, 19-39. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2012.10.001

23.      Niu, Y., Tan, H., & Hui, S. (2016). Ash-related issues during biomass combustion: Alkali-induced slagging, silicate melt-induced slagging (ash fusion), agglomeration, corrosion, ash utilization, and related countermeasures. Progress in Energy and Combustion Science, 52, 1-61. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2015.09.003

24.      Liu, Q., Chmely, S. C., & Abdoulmoumine, N. (2017). Biomass Treatment Strategies for Thermochemical Conversion. Energy & ­Fuels, 31(4), 3525-3536. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.7b00258

25.      Strzalka, R., Erhart, T. G., & Eicker, U. (2013). Analysis and optimization of a cogeneration system based on biomass combustion. Applied Thermal Engineering, 50(2), 1418-1426. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.12.039

26.      Tokarski, S., Głód, K., Ściążko, M., & Zuwała, J. (2015). Comparative assessment of the energy effects of biomass combustion and co-firing in selected technologies. Energy, 92, 24-32. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.06.044

27.      Ko, S., & Lautala, P. (2018). Optimal Level of Woody Biomass Co-Firing with Coal Power Plant Considering Advanced Feedstock Logistics System. Agriculture, 8(6), 74. https://doi.org/10.3390/agriculture8060074

28.      Sajdak, M., Kmieć, M., Micek, B., & Hrabak, J. (2018). Determination of the optimal ratio of coal to biomass in the co-firing process: feed mixture properties. International Journal of Environmental Science and Technology, 16(7), 2989-3000. https://doi.org/10.1007/s13762-018-1864-y

29.      Sahu, S. G., Chakraborty, N., & Sarkar, P. (2014). Coal–biomass co-combustion: An overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 39, 575-586. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.106

30.      Ribeiro, J., Godina, R., Matias, J., & Nunes, L. (2018). Future Perspectives of Biomass Torrefaction: Review of the Current State-Of-The-Art and Research Development. Sustainability, 10(7), 2323. https://doi.org/10.3390/su10072323

31.      Panahi, A., Tarakcioglu, M., Schiemann, M., Delichatsios, M., & Levendis, Y. A. (2018). On the particle sizing of torrefied biomass for co-firing with pulverized coal. Combustion and Flame, 194, 72-84. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.04.014

32.      Oladejo, J. M., Adegbite, S., Pang, C. H., Liu, H., Parvez, A. M., & Wu, T. (2017). A novel index for the study of synergistic effects during the co-processing of coal and biomass. Applied Energy, 188, 215-225. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.12.005

33.      Shchudlo, T., Bondzyk, D., Beztsennyi, I., & Dunaievska, N. (2021). Improvement of methods for processing thermogravimetric studies on solid fuels. Zbirka naukovykh prats XVII Mizhnarodnoi naukovo-praktychnoi konferentsii “Vuhilna teploenerhetyka: shliakhy rekonstruktsii ta rozvytku”, (pp. 136-139). https://doi.org/10.48126/conf2021

34.      Beztsennyi, I. V., Bondzyk, D. L., Shchudlo, T. S., & Dunayevska, N. I. (2020). Obtaining kinetic characteristics of combustion of the coke from solid biofuels. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (6), 15-20. https://doi.org/10.33271/nvngu/2020-6/015

35.      Stroivas, A., Shchudlo, T., Shendrik, T., & Dunaievska, N. (2018). Peculiarities of co-thermolysis of highly metamorphosed coal with various types of biomass. 9 Mizhnar. Nauk.-tekhn. konf. Postup u naftopererobnii ta naftotokhimichnii promyslovosti, (pp. 103-106).

36.      Zubkova, V., Strojwas, A., Strojanowska, M., & Kowalczyk, J. (2014). The influence of composition of coal briquettes on changes in volume of the heated coal charge. Fuel Processing Technology, 128, 265-275. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2014.07.022

37.      Nekhamin, M. M., & Bondzyk, D. L. (2020). Combustion speed parameters when simulating by ansys fluent program of solid fuel combustion. Energy Technologies & Resource Saving, (1), 41-45. https://doi.org/10.33070/etars.1.2020.5

38.      Bondzyk, D., Rokhman, B., & Nekhamin, M. (2021). Numerical study on the effect of adding peat to gas coal on combustion processes. XVII Mizhnarodna naukovo-praktychna konferentsiia “Vuhilna teploenerhetyka: shliakhy rekonstruktsii ta rozvytku”, (pp. 84-90). https://doi.org/10.48126/conf2021

39.      Beztsennyi, I., Bondzyk, D., Shchudlo, T., Fateiev, A., Dunaievska, N., & Duliienko, S. (2021). Research into the possibility of using peat to partially replace coal in pulverised coal combustion. XVII Mizhnarodna naukovo-praktychna konferentsiia “Vuhilna teploenerhetyka: shliakhy rekonstruktsii ta rozvytku”, (pp. 90-95). https://doi.org/10.48126/conf2021

40.      Shendrik, T., Dunayevska, N., Tsaryuk, A., Ielagin, V., & Fateyev, A. (2020). Experimental development of approaches to reduce the slagging and corrosive activity of salty coal. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(6(108)), 124-133. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.217585

41.      Shendrik, T. G., Dunayevska, N. I., Fateyev, A. I., Tsaryuk, A. K., & Yelahin, V. P. (2022). Phenomena and mechanism of slagging and corrosion in energy use of coal with a high content of salts. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (5), 12-19. https://doi.org/10.33271/nvngu/2022-5/012

42.      Dunayevska, N., Shendrik, T., & Fateiev, A. (2025). The approach for reducing of slagging and corrosion properties of fuels with a high content of alkali and alkaline earth metals. Fuel, 381, 133359. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.133359

43.      Chernyavskyy, M. V., Dunayevska, N. I., Provalov, O. Y., & Miroshnychenko, Y. S. (2020). Scientific basis and technologies of anthracite replacement at thermal power plants. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (3), 33-40. https://doi.org/10.33271/nvngu/2020-3/033

44.      Chernyavskyi, M. V., Provalov, O. Y., Miroshnychenko, Y. S., & Kosyachkov, O. V. (2023). Converting Slovianska TPP with the central coal pulverizing plant from anthracite to sub-bituminous coal. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, (3), 46-53. https://doi.org/10.33271/nvngu/2023-3/046

45.      Chernyavskyi, M., Dunaevska, N., & Bezcennyi, I. (2015). Improvement of zonal thermal calculation of the TPP-210A boiler furnace for the case of burning coal mixtures. 11 ^th Intern. Sci. and Pract. Conf. “Thermal energy: Problems of rehabilitation and development” (Kyiv, Sept. 2015): Collection of science works, (pp. 70-71). CETI of NAS of Ukraine.

46.      Miroshenko, E. S., & Roskolupa, A. I. (2019). Development and testing of technical solutions for the conversion of small and medium power boilers from coal to fuel biomass (on example of the “Radiant” boiler with a steam capacity of 20-24 t/h). 15 ^th International Scientific and Practical Conference “Thermal energy: Ways of renovation and development”: Collection of scientific works, (pp. 114-116). CETI of NAS of Ukraine. Retrieved from www.ceti-nasu.org.ua/upload/iblock/71a/71ae934a8c8b90e58f1c1933159f732d.pdf

• < Попередня
• Наступна >