CC BY
456
- © В.А. Козлов, 2012
УДК 622.7.017.2; 622.7:504.064.43 В.А. Козлов
ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЗОЛЫ УГЛЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТОПОК
Рассмотрено влияние зольности, влаги и химического состава золы угля на эффективность его сжигания и эксплуатацию топок.
Ключевые слова: уголь, зольность, основные и кислыю оксиды!, температура плавления золы, шлакование, отложения в топках.
Рядовой уголь после добычи представляется топливом с определенной исходной энергией, содержащим, как «чистое топливо», так и не горючие элементы, включающие внешнюю породу, внутреннюю зольность и воду. Не горючие элементы можно интерпретировать, как разбавляющие элементы, уменьшающими энергию «чистого топлива», содержащуюся в единице массы. Когда идет горение, порода и внутренние не горючие составляющие угля переходят в золу. Присутствующее в угле значимое содержание серы и ртути при сжигании является причиной возникновения экологических проблем, а также проблем в эксплуатации и ремонте топок электростанций и котельных.
Процесс обогащения угля, который основан на использовании различных физических сил, изменяет характеристики рядового угля в направлении наиболее соответствующим требованиям рынка.
В мире наблюдается тенденция, когда потребители угля для энергетических целей ужесточают требования к производителям угля по уменьшению влаги угля, его зольности и снижению содержания серы.
Так, в Казахстане разработана Правительственная программа по снижению зольности добываемых углей Экибастузского месторожде-
ния на ближайшее будущее. На период до 2016 года зольность угля, поставляемого на электростанции, допускается 43 %, на период с 2016 г. по 2021 г. зольность угля, предназначенного для получения электроэнергии на электростанциях должна быть не более 38 % и, начиная с 2021 года зольность сжигаемого угля должна быть не более 29,5 %. Эта важнейшая народнохозяйственная задача предполагает не только значительное повышение калорийности топлива, но и позволяет решить экологические проблемы, связанные с уменьшением выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду более чем в 2 раза.
Обогащение угля снижает зольность угля и значительно увеличивает отдаваемую мощность станции, уменьшает вредные выбросы в окружающую среду. Конечно, затраты на обогащение угля и охрану окружающей среды требуют для действующего производства значительных финансовых затрат. И, зачастую, собственники предприятий по добыче топлива оппозиционно относятся к данным мероприятиям. Далее кратко рассматривается, как качество сжигаемого угля влияет на мощность станции, и как химический состав золы влияет на эксплуатационные параметры топки.
Размер частиц, содержание влаги, наличие глинистого материала может влиять на калориметрические характеристики угля, особенно когда требуется измельчение угля до крупности, достаточной для применения в топках пылевидного факельного и циклонного сжигания. В топках со слоевым сжиганием или в топках ки-пяшего слоя требования к крупности менее критичны.
В топках пылевого сжигания, дробленый уголь подается питателем в распылитель. Уголь, высушенный и измельченный до крупности менее 0,074 мм, подается в распылитель, который и доставляет тонкие частицы в топку для сжигания. Увеличение влаги угля отрицательно сказывается на работе распылителя.
Величина зольности в угле и химический состав угля, являются ключевым фактором формирования расплава и отложений в топке, сужения конвекционного прохода и перегрева секций в топке. Эти отложения препятствуют передаче тепла и выводу золы из топки. Когда массивные отложения накапливаются, они могут привести к необходимости остановки работы топки, из-за того что зола может также закупорить проходы для горячего воздуха.
Минеральное вешество в угле уменьшает величину калорийности топлива, является причиной эрозии труб и воздуховодов топки, формиро--вания отложений на трубах, превышения выбросов БОг и, в итоге, увеличивает стоимость произведенной энергии, включаюшей затраты для складирования золы и скрубберного осадка.
Минеральное вешество может присутствовать в угле в виде тонких диссоциированных частиц, как разделенные углем прослойки породы, или более в обшем, как отдельные
частицы породы из кровли или подошвы, попадаюшие в уголь при добыче. Различные формы негорючего компонента: глинистый сланец, песчаник, глина и пирит являются основными породообразуюшими элементами в угле.
Высокая зольность угля имеет непропорционально неблагоприятное влияние на теплотворную способность угля. На рис. 1 показан типичный график зависимости низшей теплоты сгорания угля от зольности, построенный по данным исследования рядовых углей марки «Л» в питании ЦОФ «Павлоградская» (ЛТЭК, Украина).
Аналитическое уравнение зависимости для класса 25х100 мм:
£>„ = 6858,42 — 79,41- Аа, (1)
Из уравнения следует, что на 1% зольности приходится 79,41 ккал/кг.
Аналитическое уравнение зависимости для мелкого класса 1х25 мм:
£>„ = 6811,48 — 79,20- Аа , (2) Из этого уравнения следует, что на 1% зольности приходится 79,20 ккал/кг.
Увеличение влаги угля влияет на калорийность также как и увеличение зольности, уменьшает его значение. Получено уравнение, для угля марки «Л» разреза «Виноградовский» (КТЭК, Кузбасс), связываюшее зольность и влагу:
0„ = 7262,5 — 63,16-Да—73,08-^Г (3) Например, требуемую низшую теплоту сгорания концентрата в 6000 ккал/кг мы сможем получить, при зольности на сухую массу Да = 4,9 % и рабочей влаге Шг = 13,0 %.
Из уравнения видно, что на 1% зольности приходится 63,16 ккал/кг, а на 1% влаги — 73,08 ккал/кг, что несколько выше, чем для зольности.
При горении угля происходит образование крупных частиц золы внизу
6251
& 3603
£ 2964
к 2134
га 3
О
211
4,1 35,1 42,0 48,6 56,0 84,7
Зольность угля, %
Рис. 1. Зависимость низшей теплоты сгорания Qи от зольности АЛ для крупного угля класса 25x100 мм
топки, а тонкие зольные частицы вылетают в трубу. Обычно распределение происходит в пропорции около 20% вниз и 80% вверх. Удаление золы и ее размещение приводит к значительному увеличению стоимости производства энергии из угля. Улавливание ртути после сгорания угля требует специального места для складирования ртути с пылевидной золой и активации углерода для захвата ртути из дымоходных газов. Без последующего разделения летучей золы и активного углерода, летучая зола из таких процессов не будет пригодна для использования в цементе и бетоне.
В топке также наблюдается отрицательное явление, названное шлакованием, которое включает процесс расплавления золы и смешение расплава с
частицами не расплавленной золы в нижней секции топки, включая и конвекционный проход, который незащи-щен от лучистого тепла. Химический состав золы угля влияет на процесс шлакования. Имеются различные модели для предсказания процесса шлакования золы, но ключевые параметры качества угля включают, химический состав золы, температуру плавления и зольность топлива.
Деление суммы основных компонентов (СаО, МдО, Ре20з, ^О, К2О) на сумму кислых компонентов (БЮ2, Л120з, ТЮ2) золы, определяет величину, так называемого основно-кислотного отношения. Это отношение, так же как и индекс основности (10) для коксующихся углей, широко применяется в модели для шлакования и включается в формулу вычисления фактора
Таблица 1
Данные химсостава золы угля разреза «Богатырь-Комир»
Показатели Величина показателя Среднее значение 1495
от до
Температура плавления золы , °С 1490 1500
момент размягчения — — 1300
момент полушария — — 1460
момент жидкого состояния — — 1500
Состав зольного остатка:
БЮг, % 56,9 67,3 62,1
А12Оз, % 24,4 31,6 28,0
Ре2Оз, % 4,4 7,26 5,83
СаО, % 0,68 3,29 1,98
МдО, % 0,19 1,26 0,72
Т О2, % 1,09 1,65 1,37
БО3, % 0,55 2,31 1,43
Р2О5, % 0,32 1,29 0,80
К2О+ Ыа2О , % 0,56 0,95 0,75
Содержание серы общей
Б/ , % 0,4 1,0 0,7
шлакования, который для восточных углей США определяется по эмпирической формуле [1]:
Из = (Ре20з+ СаО + МдО +^О+ ВД-БД Б1О2 + М2О3 + Г1О2), (4) где Б — содержание серы в угле, %.
Содержание серы отражает действие пирита, который состоит на половину из железа, на шлакование и его влияние в рассматриваемой модели может быть учтено степенью, как:
Из = (Ре2Оз1,50+ СаО + МдО +^О+
+ К2О)/( Б1О2 + М2О3 + Т1О2), (5)
Величина Н8 < 0,6 относит золу к низкой степени шлакуемости, 0,6-2,0 - к средней степени шлакуемости, 2,02,6 — к высокой степени шлакуемости и >2,6 к сверхвысокой степени шлакуемости.
При низком содержании серы в углях уравнение (5) может не соответствовать действительности, так как, например, западные угли США имеют типично большие содержания кальция
и натрия и меньше железа и серы чем в восточных углях. Модель предлагает для западных бурых углей с составом золы, когда СаО + МдО> Ре2О3 следующее уравнение [1]:
Из =( НТ+4- ЭТ)/5, (6)
где НТ — температура образования полусферы, С°, ЭТ — температура размягчения, С°.
Так величина Н8 равная 1340 °С и более соответствует низкой степени шлакуемости, 1230-1340 °С средней степени шлакуемости, 1150-1230 °С высокой степени и ниже 1150 °С — очень высокой степени шлакуемости.
Вычислим на примере угля разреза «Богатырь-Комир» (Казахстан) показатель шлакуемости используя данные о качестве угля из табл. 1.
Показатель шлакуемости будет по уравнению (4):
Из = (5,83+ 1,98 + 0,72 +0,75)-0,7/ (62,1 + 28,0 + 1,37) = 0,071,
что соответствует низкой степени шлакуемости Экибастузских углей.
Применение восстановительной или окислительной газовой среды в методе определения плавкости золы моделирует поведение углей при сжигании в промышленных агрегатах [3]: при слоевом сжигании в зоне образования шлака создается восстановительная среда, а при пылевидном сжигании в условиях избытка воздуха — окислительная среда.
В окислительной среде процесс плавления протекает при температурах выше на 70-90 °С, чем в восстановительной среде, что объясняется свойствами соединений железа. Так, в восстановительной среде образуются легкоплавкие эвтектики закисных форм железа с алюмосиликатами, а в окислительной — тугоплавкие гема-титные формы железа.
Химический состав и температура плавкости золы позволяет определить эффективный способ сжигания и удаления шлаков.
Специалисты АЕР (Электроэнергетической Организации Америки) развивают графический метод для предсказания процесса шлакования золы в топке [2].
Эта процедура предполагает, что процесс шлакования является функцией количества золы в топливе, химического состава золы и температуры размягчения золы. Определено, что в больших топках уголь имеет низкий потенциал шлакуемости, а в маленьких или высокотемпературных топках зола имеет потенциал высокой шлакуемости.
Одним из результатов работы АЕР является заключение о том, что уменьшение зольности топлива ослабляет шлакуемость.
Обогащение угля часто уменьшает кальций и алюминий в золе концен-
трата, и обогащение иногда уменьшает температуру размягчения; однако в другом случае обогащение может существенно увеличить температуру размягчения золы. Даже когда обогащение уменьшает температуру размягчения, уменьшение золы в процессе обогащения угля, как показано в работе АЕР, может привести к значительному улучшению в шлаковании золы данного угля.
Загрязняющие отложения связаны с химией их образования при формировании отложений при нагреве паровых труб. Эти отложения приводят к коррозии труб и ухудшают прохождение газа через топку, поднимая нагрузку вентилятора и снижению мощности топки. Уменьшается открытое пространство между трубами для конвективного прохода. Загрязняющие отложения трудно удаляются. Отложения, в общем, связаны с содержание натрия в золе угля, но отложения могут быть также связаны с оксидами калия в золе и величиной зольности угля.
На модели [2] для отложений в случае, если в золе наблюдается следующее отношение оксидов Са0+ +МдО<Ре2О3, то фактор загрязнения может быть вычислен по формуле:
К£ = (Ре20з+ СаО + МдО +^0+ КО ^ОД Э1О2 + М2О3 + Т1О2). (7)
Когда результат вычисления ниже 0,2, зола относится к низкой степени склонности к отложениям, в пределах 0,2-0,5 средней степени склонности к отложениям, в пределах 0,5-1,0 относится к высокой склонности к отложениям и выше 1,0 относится к сверхвысокой склонности к отложениям.
Этот фактор может также быть вычислен также по формуле:
К£ = (Рв20з+Са0+Мд0+На20+К20)-№20+ К20)/( Э102 + А120з + ТЮ2), (8) учитывающей суммарное содержание оксидов №20 и К20.
Для бурых углей фактор отложений определяется как:
И! = На20% в золе угля. (9)
Когда содержание На20 ниже 3%, зола относится как низкой и средней склонности к отложениям, при содержании 3-6% зола относится к высокой степени склонности к отложениям и содержании более 6% -сверх высокой степени к отложениям.
Испытания бурых углей, что содержание в золе угля натрия оказывает сильное влияние на образование отложений в топке. Фактически испытание показало потенциальное увеличение отложений при увеличении золы в топливе, и что топливо с высоким содержанием натрия и высокой золой создавало много эксплуатационных проблем.
Вычислим значение фактора загрязнения для углей разреза «Бога-тырь-Комир» по формуле (8):
И! = (5,83+ 1,98 + 0,72 +0,75)-0,75/ (62,1 + 28,0 + 1,37) = 0,076, следовательно, зола относится к низкой степени склонности к отложениям.
Обогащение уменьшает зольность в угле и способствует уменьшению отложений при сжигании угля с высоким содержанием натрия. Это связано также с тем, что, возможно, влага обогащенного угля уменьшает содержание натрия в угле и способствует уменьшению отложений при сжигании углей с высоким содержанием натрия.
Влага не только уменьшает энергию сжигания единицы массы угля, но
также уменьшает эффективность станции, за счет увеличения износа топок и уменьшает выходную мощность станции.
Высокая влага в углях оказывает отрицательное влияние на тепловые характеристики угля, скорость нагрева воды и эффективность тепло-и электростанций. Высокая влага топлива может уменьшить производительность распылителя топлива в топках, уменьшить теплоотдачу, из-за потерь энергии на испарение воды в топливе при горении.
Дополнительная вода увеличивает массу газа счет парообразования в топке и увеличивает мощность вентиляторов. Увеличение электрической мощности внутреннего потребления, создаваемой высокой влагой угля, уменьшает эффективность станции. Затраты на очистку топок, пылеуловителей и скрубберов от золы также повышают себестоимость электроэнергии.
Повышенная влага топлива может расширять эффект эрозии труб и материала топок за счет увеличения скорости газа в топке и трубах. Чрезмерное парообразование в топке уменьшает отдачу тепла и увеличивает фактические тепловые потери.
Наиболее ключевые выбросы на тепло- и электростанциях, сжигающих уголь, включают твердую пыль, Э02, ртуть, Н0Х и С02. Выбросы могут быть уменьшены благодаря обогащению угля и снижению влаги. Обогащение угля удаляет золу, серу и ртуть из угля. Уменьшение влаги топлива, особенно важно при высокой влаге угля, улучшает эффективность станций и увеличивает выход продаваемой мощности.
Сокращение выбросов Н0Х и С02 определяется контролем их образования в топке и расходом воздуха — топливной смесью. Очевидно, что сжигание качественного топлива в топке и контроль расхода воздуха на стадиях сжигания способствует снижению выбросов Н0Х. Если качество топлива широко изменяется, а расход воздуха не соответствует оптимальной смеси топлива, то наблюдается повышенные выбросы Н0Х, а при недостаточном сжигании и высокие потери углерода.
Высокое содержание Н0Х в выбросах топок связано с химией золы, особенно к содержанием пирита, и может иметь результатом проблемы забивания топок. Обогащение угля удаляет пирит из топлива и может уменьшать отложения, связанные с содержанием Н0Х.
АЕР контролирует выбросы ртути на станциях США и будет требовать существенного снижения содержания ртути в выбросах в будущем. Не смотря на применение сорбентов, требуемых для улавливания ртути, эти технологии для захвата ртути
после сжигания могут быть эффективными и экономичными до требуемой степени. Также практика обогащения угля показывает на достигаемое снижение содержания ртути в концентрате на 50 % и выше для многих углей.
Заключение
Обогащение добытого рядового угля, предназначенного для энергетических целей, позволяет:
1. Значительно снизить его зольность и получить концентраты существенно большей теплотворной способностью при сжигании, повышая эффективность работы тепло- и электростанций.
2. Сократить транспортные расходы на перевозку топлива.
3. Снизить содержание серы, Н0Х, С02 и ртути в атмосферных выбросах, тем самым уменьшить вредное воздействие на окружающую среду.
4. Уменьшить объем таких отрицательных процессов, как шлакование и отложения в топках, на трубах и гозоходах, и тем самым уменьшить эксплуатационные затраты.
1. Michael B. Doherty, "Evaluation of Coal Quality Impacts on Power Plant Operations", Coal Prep.pp.7-51, April 28-30, 1998.
2. Ghosh S.K. Understanding Thermal
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Coal Ash Behavior, Mining Engineering, pp. 158-162, Fabruary 1985.
3. Хоффман E. Энерготехнологическое использование угля. Пер. с англ.- М.: Энер-гоатомиздат, 1983. ц'.иа
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Козлов Вадим Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, главный технолог ООО «Коралайна Инжиниринг», vak@cetco.ru.
