CC BY
59
УДК 662.8
В.И. Багрянцев, С.А. Бровченко, А.А. Рыбушкин, С.А. Казимиров, К.С. Коноз
Сибирский государственный индустриальный университет
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ УГОЛЬНЫХ КОТЕЛЬНЫХ С ПОЛУЧЕНИЕМ МИКРОСФЕР И СТРОИТЕЛЬНОГО ПЕСКА НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ ПРОЦЕССОВ*
Золошлаковые отходы (ЗШО) угольных котельных образуют техногенные накопления, которые являются серьезной экологической проблемой. Учитывая, что механический недожог в топках с плотным слоем [1, 2] может достигать до 20 - 40 %, золошлаковые отходы становятся в определенной степени привлекательным углеродсодержащим сырьем -топливным ресурсом. Прямое сжигание зо-лошлаковых отходов в традиционных топках (котлах) практически исключается по причине недостаточной концентрации углеродистого материала, в то же время высокое содержание остаточного углерода в ЗШО ограничивает их применение в строительной промышленности.
В Сибирском государственном индустриальном университете создана теплогенериру-ющая установка, основу которой составляет вихревая топка, предназначенная для переработки пылевидных и мелкодисперсных угле-родсодержащих отходов [3 - 6]. Благодаря конструктивным особенностям в топке происходит более полное сжигание топлива, в том числе некондиционного. При этом содержание углерода в зольном остатке незначительно. В комплекс вихревой топки встроена вихревая мельница [7], которая служит для тонкого помола мелкодисперсных материалов. Тонкость помола в мельнице достигает до 50 мкм, что способствует более полному сжиганию топлива.
Для очистки запыленных газов, улавливания и классификации сухой мелкодисперсной пыли за топкой устанавливается вихревой пылеуловитель, способный уловить частицы диаметром до 5 мкм.
Созданное оборудование и разработанная технология могут стать базовым инструментарием для исследования и реализации комплексной технологии переработки золошлаковых отходов угольных котельных с производством микросфер и песка, способом расплавления зо-
Работа выполнена согласно заданию № 2555 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России.
лы и вспучиванием алюмосиликатных частиц в микросферы, получением зольного остатка -песка с содержанием углерода менее 3 %.
Концептуально технология комплексной переработки золошлаковых накоплений, образующихся от работы угольных котельных, сводится к многостадийному процессу, включающему в себя подготовку сырья и его сжигание в вихревых топках с помощью мазутных вихревых форсунок, обеспечивающих оплавление ЗШО и условия образования микросфер.
Подготовку сырья можно осуществлять на типовых механизированных комплексах, где проводятся классификация, помол и, как правило, сушка сырья. Помол сырья производится в вихревых мельницах, действующих на принципе помола частиц, жестко взаимодействующих между собой в вихревом потоке.
Обезвоживание ЗШО осуществляется в специальной вихревой сушильной топке. Агрегат оборудуется двумя вихревыми форсунками. Топливо распыляется энергией сжатого воздуха. Воздух проходит через специальное устройство, в котором закручивается до скорости, достигающей сверхзвукового значения, и при истечении создает закрученный вихрь, в центр которого впрыскивается топливо. Поскольку в центральной области создается пониженное давление, это способствует облегченному поступлению топлива в зону распыления. При таких условиях топливо распыляется в мельчайшие капли, которые полностью сгорают в потоке воздуха. Для работы форсунок используется компрессор невысокого давления, что значительно снижает затраты на сжатый воздух.
В отдельную зону сушильного агрегата при помощи дутьевого вентилятора подается закручиваемым потоком влажный сырьевой продукт. Сушильная камера топки рассчитана из условия достаточного пребывания продукта, обеспечивающего полное испарение влаги. Высушенные частицы поступают в многоступенчатую систему улавливания - классификатор, который позволяет осадить до 95 % обезвоженного материала. Технически система ра-
ботает на принципе резкого поворота потока и сепарации частиц в закрученном потоке с использованием центробежной силы.
Получение микросфер реализуется в вихревой топке, тепло в которой образуется при сжигании мазута. Последний распыляется при помощи вихревых форсунок сжатым воздухом. В топке закрученный поток подаваемых материалов выносится от периферии топки к центру, в зону максимальных температур. За счет оптимального перераспределения теплового сектора топки по принципу «горячий центр - холодная периферия» осуществляется полное выжигание углеродистой составляющей. Происходит оплавление и вспучивание стеклокристаллической массы в микросферы, имеющих шарообразную форму и образующихся при остывании капель расплава во взвешенном состоянии в дымовых газах.
Микросферы представляют собой материал, обладающий высокими служебными свойствами, что обеспечивает их стабильно высокий спрос на рынке строительных материалов. Микросферы характеризуются низкой плотностью, высокой механической прочностью, химической инертностью, обладают высокой термостойкостью и низкой теплопроводностью [8].
Микросферы применяют в качестве теплоизоляционных материалов, при производстве керамик, наполнителей композиционных материалов и специальных видов цемента. Они могут служить сырьем для получения катализаторов, адсорбентов и материалов для эксплуатации в условиях воздействия агрессивных сред и высокой температуры [9].
Принципиальная схема комплексной установки для получения микросфер представлена на рисунке.
Мазут
В дымовую трубу
Продукт по фракциям
Схема установки для получения микросфер
5
Исходный материал (золошлаковые отходы) плавится в топке 1 от сжигания мазута. Мазут распыляется при помощи вихревых форсунок 2 сжатым воздухом, подаваемым по магистрали 3. Топливная магистраль 4 содержит топливный фильтр 5 и краны для регулирования. Исходный продукт подается шнеком или при помощи пневмотранспортной магистрали в воронку 6. Расход дутьевого воздуха контролируется расходомером 7. Горячий воздух подается напорным вентилятором 8 на закручивающее устройство 9. Эжектор 10 разбавляет горячий дымовой газ воздухом. Основная масса полученных сфер осаждается в устройстве 11. Более мелкие сферы поступают сначала на первую ступень пылеуловителя 12, а затем - на вторую 13. Оставшееся тепло утилизируется в теплообменнике 14, работа которого осуществляется от напорного вентилятора 15 и дымососа 16. Температура контролируется датчиками. Выделение и классификация микросфер из общей массы конечного продукта осуществляется методом флотации и/или вихревой сегрегации.
Благодаря термической обработке ЗШО в зоне высоких температур образующийся зольный остаток освобождается от углерода (его содержание составляет менее 3 %) и преобразуется в песок. Песок на обычных классификаторах сортируется по фракционному составу и может быть использован в зависимости от исходного угольного продукта в качестве заполнителя бетонов и строительных растворов. При достаточно высоком содержании в песке кальцийсодержащих материалов его можно использовать как добавку при изготовлении цемента. Зольный песок можно использовать как минеральную добавку к глине при производстве кирпича, керамической плитки, черепицы [10].
Согласно экономической оценке, реализация проекта комплексной переработки зо-лошлаковых отходов с получением микросфер и песка имеет хорошие показатели. По результатам укрупненного расчета технико-экономические параметры комплекса по переработке 1 т отходов в час имеют следующие значения:
Параметр
Исходный продукт - влажная зола котельных
Мощность сушильной топки
Вид топлива
Расход топлива - шлама
Расход электроэнергии
Сушка ЗШО
Единица измерения
т/год МВт
угольные шламы т/год
кВт/час в год
Мощность топки
Исходный продукт - сухая зола котельных Содержание углерода в ЗШО Зола без органической части
Сжигание ЗШО и получение микросфер
МВт
т/год %
т/год
%
Содержание микросферы в золе топки
Вид топлива
Расход топлива - мазута
Расход электроэнергии
Значение параметра
10 074
0,3
525,6 131 400
0,5
8760,0 30,0 6132,0 10,0 613,2
т/год
мазут/отработанные масла
т/год кВт/час кВ/час в год
Генерация тепла/горячая вода
КПД утилизации тепла %
Сгенерированное тепло (горячая вода) Гкал/год
Стоимость ресурсов, материалов и продукции
Исходный продукт (ЗШО). Доставка руб/т
Мазут руб/т
Угольные шламы. Доставка руб/т
438,0 30 262 800
25
2058,6
100
7000
500
Песок
Микросфера классифицированная
руб/т руб/т
Эксплуатационные затраты
Обслуживающий персонал чел.
Заработная плата с начислениями руб/мес./чел.
Затраты на комплекс переработки ЗШО
НИОКР руб
Оборудование для подготовки ЗШО Оборудование сушильного комплекса Оборудование комплекса получения микросферы ПИР, инженерные системы, СМР Итого затрат
Получение продукции
Песок Тепло
Микросфера Итого продукции
Расчет себестоимости
руб руб руб руб руб
руб/год руб/год руб/год руб/год
Исходный продукт (ЗШО) Топливо (мазут) Топливо (угольные шламы) Электроэнергия
Затраты на капитальный ремонт
Затраты на текущий ремонт
Амортизационные отчисления
Ремонтный фонд
Заработная плата с начислениями
Итого себестоимость
Доход
Налог НДС
Общая прибыль
Налог на прибыль
Чистая прибыль
Окупаемость затрат
руб/год руб/год руб/год руб/год руб/год руб/год 7 % 2 %
руб/год руб/год руб/год 18 % руб/год 20 % руб лет
1200 50 000
17
39 060
1 500 000
2 000 000 2 000 000
3 000 000
4 000 000 12 500 000
8 409 600
2 058 600 35 040 000 37 098 600
1 007 400
3 066 000 262 800 985 500 55 756 50 000 513 333 233 333
7 968 240
14 142 362 22 956 238
4 132 123 18 824 115 3 764 823
15 059 292 0,83
Выводы. Рассмотрена возможность утилизации золошлаковых отходов угольных котельных с получением микросфер и строительного песка. Приведены оборудование и принципы его работы, обеспечивающие образование микросфер. Представлены технологическая схема и экономические показатели получения микросфер при использовании вихревых технологий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Б а ш к о в а М.Н., К а з и м и р о в С.А., Т е м л я н ц е в М.В., Б а г р я н ц е в
B.И., Р ы б у ш к и н А.А., С л а ж н е в а К.С. Практика и перспективы применения различных способов сжигания твердого топлива в теплоэнергетических установках // Вестник СибГИУ. 2014. № 2 (8). С. 24 - 32.
2. К а з и м и р о в С.А., Б а ш к о в а М.Н., С л а ж н е в а К.С. Анализ возможностей оборудования вихревыми топками действующих котельных агрегатов малой и средней мощности // Вестник СибГИУ. 2015. № 1 (11). С. 44 - 49.
3. Б а г р я н ц е в В.И., К а з и м и р о в
C.А., К у ц е н к о А.И., П о д о л ь с -
к и й А.П., Р ы б у ш к и н А.А., Т е м -л я н ц е в М.В. Практика и перспективы использования твердых углеродсодер- 8.
жащих отходов в качестве топлива для теплоэнергетических агрегатов // Вестник СибГИУ. 2013. № 3 (5). С. 33 - 37.
4. Б а г р я н ц е в В.И., Б р о в ч е н к о С.А., Т е м л я н ц е в М.В., Р ы б у ш -
к и н А.А., К а з и м и р о в С.А. Сжига- 9.
ние угольных шламов с применением вихревых технологий // Вестник КузГТУ. 2015. № 1 (107). С. 153 - 158.
5. Б а г р я н ц е в В.И., Б р о в ч е н к о С.А., Р ы б у ш к и н А.А., Т е м л я н -ц е в М.В., К а з и м и р о в С.А. Разработка эффективной технологии сжигания отходов углеобогащения для получения тепловой энергии // Наукоемкие техно- 10. логии разработки и использования минеральных ресурсов. 2014. № 1. С. 311 -
314.
6. К а з и м и р о в С.А., Б а г р я н ц е в В.И., Б р о в ч е н к о С.А., Т е м л я н -ц е в М.В. Разработка теплоэнергетической установки для сжигания угольных шламов // Наукоемкие технологии разработки и использования минеральных ресурсов. 2015.№ 2. С. 342 - 345.
7. Пат. № 152561 РФ. МПК B02C 19/06. Вихревая мельница / В.И. Багрянцев,
С.А. Бровченко, М.В. Темлянцев, И.Н. Филинберг. Опубл. 12.01.2015. Т е р я е в а Т.Н., К о с т е н к о О.В., И с м а г и л о в З.Р., Ш и к и н а Н.В., Р у д и н а Н.А., А н т и п о в а В.А. Физико-химические свойства алюмосили-катных полых микросфер // Вестник КузГТУ. 2013. № 5 (99). С. 86 - 90. Д а н и л и н Л.Д., Д р о ж ж и н В.С., К у в а е в М.Д., К у л и к о в С.А., М а к с и м о в а Н.В., М а л и н о в В.И., П и к у л и н И.В., Р е д ю ш е в С.А., Х о в р и н А.Н. Полые микросферы из зол-уноса - многофункциональный наполнитель композиционных материалов // Цемент и его применение. 2012. № 4. С. 100 - 105.
Ц е л ы к о в с к и й Ю.К., Е р и х е м -з о н Л.Ю. Организация при угольных ТЭС производства безобжигового зольного песка - эффективное направление расширения использования золошлако-вых отходов ТЭС России // Энергетик. 2013. № 8. С. 26 - 28.
© 2015 г. В.И. Багрянцев, С.А. Бровченко, А.А. Рыбушкин, С.А. Казимиров, К.С. Коноз Поступила 14 декабря 2015 г.
