Determination of composite fuel parameters in the operation of technogenic deposits of coal mining enterprises

The research provides the determining of the parameters for composite fuel in the operation of technogenic deposits at coal mining enterprises. The qualitative characteristics of technogenic raw materials are determined, and the parameters of technological processes to produce composite fuel are established: preparation (screening or grinding), physical and chemical influence on the state of raw materials, mixing, production, and drying (if necessary) to obtain suitable fuel. Based on the particle size distribution (as well as sedimentation analysis for waste fractions up to 50 μm) and chemical composition (with the determination of moisture, volatile matter, ash, and sulphur content) it was found that the physicochemical parameters for each type of industrial waste, when preparing them for use in the production of composite fuels, have been established. A technological classification of technogenic materials has been developed, which makes it possible to systematize technical issues in the implementation of preparation processes, physical and chemical influences, mixing, production, and drying to obtain suitable fuel

Thermal treatment of charcoal for synthesis of high-purity carbon materials

The use of pure carbon materials in energy storage systems has the enormous potential for improvement of their performance. Among various carbon materials, natural and synthetic graphite is known to be the most widely used for batteries. Nonetheless, biomass as a good auxiliary carbon-containing material can also become a sustainable source of high-purity carbon material for this purpose. To examine these opportunities, a multistage technology comprised by pyrolysis of walnut shells and subsequent thermal purification of carbon residue at 3000 °C has been studied. As a result, high-purity carbon material has been synthesized, it can find the application in energy storage systems, for instance, lithium-ion batteries

Использование биомассы с целью получения карбоносодержащих материалов высокой степени чистоты

1. Directive 2009/28/EC of The European Parliament and of The Council of 23 April 2009 on the promotion of the use of energy from renewable sources. Off. J. Eur. Union. – 2009. – P. 16–62. 2. SWD 259 final, State of play on the sustainability of solid and gaseous biomass used for electricity, heating and cooling in the EU, Brussels, EuropeanCommission. – 2014. 3. Proposal on indirect land-use change: council reaches agreement (Press release 7550/14). Council of the European Union, Brussels, European Commission. – 2014. 4. Life cycle energy-economic-CO2 emissions evaluation of biomass/coal, with and without CO2 capture and storage, in a pulverized fuel combustion power plant in the United Kingdom / [Q. Yia, Y. Zhao, Y. Huang et al.]. // Applied Energy. – 2018. – V. 225. – P. 258–72. 5. AEBIOM Statistical Report, European Bioenergy Outlook. – Brussels. – 2015. – 18 p. 6. OFGEM Renewables Obligation [Electronic reference]: Sustainability Criteria. – 2018. – Access mode: https://www.ofgem.gov.uk/system/files/docs/2018/04/ro_sustainability_criteria.pdf. 7. Kieush L.G. Biomass as raw material for carbon nanomaterials / L.G. Kieush, A.S. Koverya, K.V. Kremnev // Thermal engineering, energy and ecology in metallurgy: collective monograph. In two books. – The book is the first / Under the general. ed. prof. Yu.S. Proydak. – Dnipro: Nova Ideologiya, 2017. – P. 44–48. ISBN 978–617–7068–42–5. 8. Ultrahigh-Temperature Continuous Reactors Based on Electrothermal Fluidized Bed Concept / [S.S. Fedorov, U.S. Rohatgi, I.V. Barsukov, et al.]. // Journal of Fluids Engineering. – 2015. – V. 138(4). – P. 044502. doi:10.1115/1.4031689. 9. Study of the pyrolysis of biomass in a dense layer / [M.V. Gubinsky, Yu.V. Shishko, E.V. Kremneva et al.]. // Integrated Technology and Energy Saving. – 2008. – №2. – P. 29–32. 10. Pat. 2014883 Russian Federation, IPC B 01 J 20/20. A method of obtaining a carbon adsorbent / Islamov S.R., Stepanov S.G., Morozov A.B.; applicant and patent holder S.R. Islamov – No. 2014883; declared 08.16.93; publ. 30.06.94, Bull. No. 12.The current publication considers the main criteria for biomass utilization instead of combustible fossils for the purpose of obtaining biofuels. The advantages of the biomass in comparison with the traditional non-renewable precursor materials have been shown. The results of the properties of walnut shell studies after conventional pyrolysis at the temperatures from 300 °C to 1000 °C are presented. Additionally, have been highlighted the peculiarities of the oxidative pyrolysis process as the first stage of a two stage technology for the production of high-purity carbonaceous materials from biomass. The possibility of obtaining nanomaterials from the biomass has been established, as instance can serve the hazelnut shell. The obtained results allow implementing the production technology for high-purity carbonaceous materials on an industrial scale.Розглянуто основні критерії використання біомаси замість горючих копалин з метою отримання біопалив. Показано переваги біомаси у порівнянні з традиційною непоновлювальною сировиною. Представлено результати досліджень властивостей шкаралупи волоського горіха після класичного піролізу за температур від 300 оС до 1000 оС та зроблено акцент на особливостях процесу окисного піролізу як першої стадії двостадійної технології отримання високочистих вуглецевих матеріалів із біомаси. Встановлено можливість отримання наноматеріалів з біомаси на прикладі шкарлупи ліщинного горіха. Отримані результати дозволяють говорити про можливість реалізації технології виробництва високочистих вуглецевих матеріалів у промислових масштабах.Рассмотрены основные критерии использования биомассы вместо горючих ископаемых с целью получения биотоплив. Показаны преимущества биомассы по сравнению с традиционным невозобновляемым сырьем. Представлены результаты исследований свойств скорлупы грецкого ореха после классического пиролиза при температурах от 300 оС до 1000 оС, показаны особенности процесса окислительного пиролиза как первой стадии двухстадийной технологии получения высокочистых углеродных материалов из биомассы, а также установлена возможность получения наноматериалов из биомассы на примере скорлупы лесного ореха. Полученные результаты позволяют говорить о возможности реализации технологии производства высокочистых углеродных материалов в промышленных масштабах

Evaluation of Slag Foaming Behavior Using Renewable Carbon Sources in Electric Arc Furnace-Based Steel Production

The influence of different carbon sources, including anthracite, calcined petroleum coke, three samples of high-temperature coke, biochar, and a mixture of 50 wt.% biochar and 50 wt.% coke, on slag foaming behavior was studied. The slag’s composition was set to FeO-CaO-Al2O3-MgO-SiO2, and the temperature for slag foaming was 1600 °C. The effect of the carbon sources was evaluated using foaming characteristics (foam height, foam volume, relative foaming height, and gas fraction), X-ray diffraction (XRD), chemical analysis of the slag foams, Mossbauer spectroscopy, observation by scanning electron microscope (SEM), and energy-dispersive spectroscopy (EDS) mapping. Different foaming phenomena were found among conventional sources, biochar as a single source, and the mixture of coke and biochar. Biochar showed the most inferior foaming characteristics compared to the other studied carbon sources. Nevertheless, the slag foaming process was improved and showed slag foaming characteristics similar to results obtained using conventional carbon sources when the mixture of 50 wt.% coke and 50 wt.% biochar was used. The XRD analysis revealed a difference between the top and bottom of the slag foams. In almost all cases, a maghemite crystalline phase was detected at the top of the slag foams, indicating oxidation; metallic iron was found at the bottom. Furthermore, a difference in the slag foam (mixture of coke and biochar) was found in the presence of such crystalline phases as magnesium iron oxide (Fe2MgO4) and magnetite (Mg0.4Fe2.96O4). Notwithstanding the carbon source applied, a layer between the foam slag and the crucible wall was found in many samples. Based on the SEM/EDS and XRD results, it was assumed this layer consists of gehlenite (Ca2(Al(AlSi)O7) and two spinels: magnesium aluminate (MgAl2O4) and magnesium iron oxide (Fe2MgO4)

Использование биомассы с целью получения карбоносодержащих материалов высокой степени чистоты

1. Directive 2009/28/EC of The European Parliament and of The Council of 23 April 2009 on the promotion of the use of energy from renewable sources. Off. J. Eur. Union. – 2009. – P. 16–62. 2. SWD 259 final, State of play on the sustainability of solid and gaseous biomass used for electricity, heating and cooling in the EU, Brussels, EuropeanCommission. – 2014. 3. Proposal on indirect land-use change: council reaches agreement (Press release 7550/14). Council of the European Union, Brussels, European Commission. – 2014. 4. Life cycle energy-economic-CO2 emissions evaluation of biomass/coal, with and without CO2 capture and storage, in a pulverized fuel combustion power plant in the United Kingdom / [Q. Yia, Y. Zhao, Y. Huang et al.]. // Applied Energy. – 2018. – V. 225. – P. 258–72. 5. AEBIOM Statistical Report, European Bioenergy Outlook. – Brussels. – 2015. – 18 p. 6. OFGEM Renewables Obligation [Electronic reference]: Sustainability Criteria. – 2018. – Access mode: https://www.ofgem.gov.uk/system/files/docs/2018/04/ro_sustainability_criteria.pdf. 7. Kieush L.G. Biomass as raw material for carbon nanomaterials / L.G. Kieush, A.S. Koverya, K.V. Kremnev // Thermal engineering, energy and ecology in metallurgy: collective monograph. In two books. – The book is the first / Under the general. ed. prof. Yu.S. Proydak. – Dnipro: Nova Ideologiya, 2017. – P. 44–48. ISBN 978–617–7068–42–5. 8. Ultrahigh-Temperature Continuous Reactors Based on Electrothermal Fluidized Bed Concept / [S.S. Fedorov, U.S. Rohatgi, I.V. Barsukov, et al.]. // Journal of Fluids Engineering. – 2015. – V. 138(4). – P. 044502. doi:10.1115/1.4031689. 9. Study of the pyrolysis of biomass in a dense layer / [M.V. Gubinsky, Yu.V. Shishko, E.V. Kremneva et al.]. // Integrated Technology and Energy Saving. – 2008. – №2. – P. 29–32. 10. Pat. 2014883 Russian Federation, IPC B 01 J 20/20. A method of obtaining a carbon adsorbent / Islamov S.R., Stepanov S.G., Morozov A.B.; applicant and patent holder S.R. Islamov – No. 2014883; declared 08.16.93; publ. 30.06.94, Bull. No. 12.The current publication considers the main criteria for biomass utilization instead of combustible fossils for the purpose of obtaining biofuels. The advantages of the biomass in comparison with the traditional non-renewable precursor materials have been shown. The results of the properties of walnut shell studies after conventional pyrolysis at the temperatures from 300 °C to 1000 °C are presented. Additionally, have been highlighted the peculiarities of the oxidative pyrolysis process as the first stage of a two stage technology for the production of high-purity carbonaceous materials from biomass. The possibility of obtaining nanomaterials from the biomass has been established, as instance can serve the hazelnut shell. The obtained results allow implementing the production technology for high-purity carbonaceous materials on an industrial scale.Розглянуто основні критерії використання біомаси замість горючих копалин з метою отримання біопалив. Показано переваги біомаси у порівнянні з традиційною непоновлювальною сировиною. Представлено результати досліджень властивостей шкаралупи волоського горіха після класичного піролізу за температур від 300 оС до 1000 оС та зроблено акцент на особливостях процесу окисного піролізу як першої стадії двостадійної технології отримання високочистих вуглецевих матеріалів із біомаси. Встановлено можливість отримання наноматеріалів з біомаси на прикладі шкарлупи ліщинного горіха. Отримані результати дозволяють говорити про можливість реалізації технології виробництва високочистих вуглецевих матеріалів у промислових масштабах.Рассмотрены основные критерии использования биомассы вместо горючих ископаемых с целью получения биотоплив. Показаны преимущества биомассы по сравнению с традиционным невозобновляемым сырьем. Представлены результаты исследований свойств скорлупы грецкого ореха после классического пиролиза при температурах от 300 оС до 1000 оС, показаны особенности процесса окислительного пиролиза как первой стадии двухстадийной технологии получения высокочистых углеродных материалов из биомассы, а также установлена возможность получения наноматериалов из биомассы на примере скорлупы лесного ореха. Полученные результаты позволяют говорить о возможности реализации технологии производства высокочистых углеродных материалов в промышленных масштабах

Adsorption purification of waste water from chromium by ferrite manganese

Plasma method is used to synthesize manganese ferrite. The basic properties of ferrite are determined by IR spectroscopy, UV spectroscopy, X-ray phase analysis, vibration magnetometry. The paper shows that the use of magnetically controlled sorbent allows to purify waste waters from chromium (III). The process of adsorption of chromium cations (III) is investigated. The kinetics of the process is studied. To describe the equilibrium isotherms, the experimental data are analysed by the models of Langmuir, Freundlich isotherms. Pseudo-first order, pseudo-second-order, and Weber-Morris are used to elucidate the kinetic parameters and mechanism of the adsorption process. It has been established that the removal of Cr (III) cations is described by the pseudo-second order of the Langmuir reaction and mechanism

Використання попередньо піролізованого технічного лігніну як палива для агломерації залізних руд

A promising direction of technical hydrolysis lignin utilization is metallurgical production, primarily iron ore preparation and blast furnace process. A significant potential is concentrated in the sintering process. In order to improve properties of lignin in the role of a fuel, and to remove, with the possibility of trapping, toxic substances, it is necessary to carry out preliminary pyrolysis. The effect of technical hydrolysis lignin of different pyrolization degrees on the iron ore sintering process and properties of the obtained sinter is experimentally studied. Initial lignin was subjected to preliminary heat treatment to the final temperature of 400, 600, 800 and 1000 ºС without air access. Sintering with the participation of pyrolyzed lignin has been carried out via lab-scale sinter pot. After sintering, the sinter strength and the macrostructure have been determined. The chemical composition of the sinter samples has been revealed by X-ray fluorescence analysis.As a result of the experiments, the possibility of replacing 25 % of coke breeze with lignin prepyrolyzed at 800 ºС has been determined. Under these conditions, the main indicators of the sintering process, such as vertical sintering rate, product yield and specific capacity of the lab-scale sinter pot, remain virtually unchanged. There is a slight decrease in the impact strengths and the abrasion strengths of the sinter. However, these figures remain at a technologically acceptable level. It should be noted that when using lignin as a sintering fuel, there is a tendency for some decrease in the iron content of the sinter produced with it. The study of the sinter macrostructure has shown an increase in the pore diameter when the partial replacement of coke breeze with lignin while with the increasing lignin pyrolysis temperature the pore volume increases.The studies has evidence the possibility of solving the urgent environmental issues of technical hydrolysis lignin utilization by applying it in the sintering process with preliminary pyrolization. A promising direction for further research is the development of methods for the preparation of technical hydrolysis lignin for the use in iron ore sinteringПерспективным направлением утилизации технического гидролизного лигнина является его применение в металлургическом производстве, в первую очередь при подготовке железорудного сырья и доменном процессе. Значительный резерв при этом сосредоточен в агломерационном процессе. Для улучшения топливных свойств лигнина, а также для удаления, с возможностью улавливания, токсичных веществ, следует осуществить его предварительный пиролиз. Экспериментально изучено влияние технического гидролизного лигнина разной степени пиролизации на процесс железорудной агломерации и свойства полученного агломерата. Исходный лигнин подвергался предварительной термической обработке до конечной температуры 400, 600, 800 и 1000 ºС без доступа воздуха. Спекание агломерата с участием пиролизированного лигнина проводили на лабораторной агломерационной установке. После спекания определяли прочность агломерата, исследовали его макроструктуру. Химический состав образцов агломерата исследовали методом рентгенофлуоресцентного анализа.В результате проведённых экспериментов определена возможность замены 25 % коксовой мелочи лигнином, предварительно пиролизированным при температуре 800 ºС. В этих условиях основные показатели агломерационного процесса, такие как вертикальная скорость спекания, выход годного продукта и удельная производительность установки, практически не изменяются. Наблюдается незначительное снижение прочности агломерата на удар и на истирание, однако данные показатели остаются на технологически приемлемом уровне. Следует отметить, при использовании лигнина в качестве агломерационного топлива обнаруживается тенденция к некоторому снижению содержания железа в агломерате. Исследование макроструктуры агломерата показало увеличение диаметра пор при частичной замене коксовой мелочи лигнином, причем с повышением температуры пиролиза лигнина, объем пор увеличивается.Проведенные исследования подтвердили возможность решения актуальной экологической проблемы утилизации технического лигнина, путем применения его в агломерационном процессе с предварительной его пиролизацией. Перспективным направлением дальнейших исследований является развитие способов подготовки технического гидролизного лигнина к использованию в железорудной агломерацииПерспективним напрямком утилізації технічного гідролізного лігніну є його застосування в металургійному виробництві, в першу чергу при підготовці залізорудної сировини і доменному процесі. Значний резерв при цьому зосереджений в агломераційному процесі. Для поліпшення паливних властивостей лігніну, а також для видалення, з можливістю уловлювання, токсичних речовин, слід здійснити його попередній піроліз. Експериментально вивчено вплив технічного гідролізного лігніну різного ступеня піролізації на процес залізорудної агломерації і властивості отриманого агломерату. Вихідний лігнін піддавався попередній термічній обробці до кінцевої температури 400, 600, 800 і 1000 ºС без доступу повітря. Спікання агломерату за участю піролізованого лігніну проводили на лабораторній агломераційній установці. Після спікання визначали міцність агломерату, досліджували його макроструктуру. Хімічний склад зразків агломерату досліджували методом рентгенофлуоресцентного аналізу.В результаті проведених експериментів визначена можливість заміни 25 % коксового дріб'язку лігніном, попередньо піролізованим при температурі 800 ºС. За таких умов основні показники агломераційного процесу, такі як вертикальна швидкість спікання, вихід придатного продукту і питома продуктивність установки, практично не змінюються.Спостерігається незначне зниження міцності агломерату на удар і на стирання, однак дані показники залишаються на технологічно прийнятному рівні. Слід зазначити, що при використанні лігніну в якості агломераційного палива виявляється тенденція до деякого зниження вмісту заліза в агломераті. Дослідження макроструктури агломерату показало збільшення діаметра пор при частковій заміні коксового дріб'язку лігніном, причому з підвищенням температури піролізу лігніну, обсяг пор збільшується.Проведені дослідження підтвердили можливість вирішення актуальної екологічної проблеми утилізації технічного лігніну, шляхом застосування його в агломераційному процесі з попередньою його піролізацією. Перспективним напрямком подальших досліджень є розвиток способів підготовки технічного гідролізного лігніну до використання в залізорудній агломераці

Metallurgical Coke Production with Biomass Additives: Study of Biocoke Properties for Blast Furnace and Submerged Arc Furnace Purposes

Biocoke has the potential to reduce the fossil-based materials in metallurgical processes, along with mitigating anthropogenic CO2- and greenhouse gas (GHG) emissions. Reducing those emissions is possible by using bio-based carbon, which is CO2-neutral, as a partial replacement of fossil carbon. In this paper, the effect of adding 5, 10, 15, 30, and 45 wt.% biomass pellets on the reactivity, the physicomechanical, and electrical properties of biocoke was established to assess the possibility of using it as a fuel and reducing agent for a blast furnace (BF) or as a carbon source in a submerged arc furnace (SAF). Biocoke was obtained under laboratory conditions at final coking temperatures of 950 or 1100 °C. Research results indicate that for BF purposes, 5 wt.% biomass additives are the maximum as the reactivity increases and the strength after reaction with CO2 decreases. On the other hand, biocoke’s physicomechanical and electrical properties, obtained at a carbonization temperature of 950 °C, can be considered a promising option for the SAF

Structurally Dependent Electrochemical Properties of Ultrafine Superparamagnetic ‘Core/Shell’ γ-Fe₂O₃/Defective α-Fe₂O₃ Composites in Hybrid Supercapacitors

The paper presents a method for obtaining electrochemically active ultrafine composites of iron oxides, superparamagnetic ‘core/shell’ γ-Fe2O3/defective α-Fe2O3, which involved modifying sol-gel citrate synthesis, hydrothermal treatment of the formed sol, and subsequent annealing of materials in the air. The synthesized materials’ phase composition, magnetic microstructure, and structural, morphological characteristics have been determined via X-ray analysis, Mossbauer spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), and adsorption porometry. The mechanisms of phase stability were analyzed, and the model was suggested as FeOOH → γ-Fe2O3 → α-Fe2O3. It was found that the presence of chelating agents in hydrothermal synthesis encapsulated the nucleus of the new phase in the reactor and interfered with the direct processes of recrystallization of the structure with the subsequent formation of the α-Fe2O3 crystalline phase. Additionally, the conductive properties of the synthesized materials were determined by impedance spectroscopy. The electrochemical activity of the synthesized materials was evaluated by the method of cyclic voltammetry using a three-electrode cell in a 3.5 M aqueous solution of KOH. For the ultrafine superparamagnetic ‘core/shell’ γ-Fe2O3/defective α-Fe2O composite with defective hematite structure and the presence of ultra-dispersed maghemite with particles in the superparamagnetic state was fixed increased electrochemical activity, and specific discharge capacity of the material is 177 F/g with a Coulomb efficiency of 85%. The prototypes of hybrid supercapacitor with work electrodes based on ultrafine composites superparamagnetic ‘core/shell’ γ-Fe2O3/defective α-Fe2O3 have a specific discharge capacity of 124 F/g with a Coulomb efficiency of 93% for current 10 mA