CC BY
11РАЗДЕЛ VI. ТЕХНОЛОГИИ. ХИМИЯ И ФИЗИКА
МАТЕРИАЛОВ [TECHNOLOGY. CHEMISTRY AND PHYSICS OF MATERIALS]
УДК 662.66
МП. КУЛИКОВА, К.К. ЧУЛЬДУМ
Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов СО РАН (Кызыл, Россия)
МОДЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ И АНАЛИЗА ЛЕТУЧИХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ
Представлены результаты исследований слияния состава угольной шихты на выход летучих загрязняющих веществ при сжигании в модельной печи с фильтром. Выход твёрдых выбросов и сажи в дымовых газах уменьшается при сжигании угольной шихты из каахемского и балахтинского углей. Для исследования состава летучих загрязняющих веществ в дымовых газах предложена схема для отбора газов с объёмным приёмником, заполненным затворной жидкостью; рассчитан объём продуктов сгорания, удельный объём уходящих газов при сжигании угольной шихты.
Ключевые слова: уголь, шихта, печь, летучие загрязняющие вещества, сажа. Рис. 2. Табл. 2. Библ. 7 назв. С. 61-65.
M.P. KULIKOVA, K.K. CHULDUM Tuvinian Institute for Exploration of Natural Resources of SB RAS (Kyzyl, Russia) MODEL FURNACE FOR CAPTURING AND ANALYZING VOLATILE
POLLUTANTS
We present the study results on the impact of the coal charge composition on the volatile pollutants burning in a model furnace with a filter. The output of solid emissions and soot in the flue gases decreases when the coal charge from Kaakhem and Balakht coal is burned. A scheme has been proposed for the selection of gases with a volumetric receiver filled with barrier fluid for study the composition of volatile pollutants in flue gases; the volume of combustion products is calculated, the specific volume of exhaust gases at the combustion of coal charge is estimated. Keywords: coal, charge, furnace, volatile pollutants, soot.
Figures 2. Tables 2. References 7. P. 61-65.
Качество угля и неэффективность используемых печей и котлов частного сектора, коммунальных котельных сопровождаются высоким химическим недожогом и приводят к сильному загрязнению атмосферного воздуха в г. Кызыле продуктами неполного сгорания угля. Кварталы с домами частного сектора рассредоточены по всему городу, площадь частного сектора г. Кызыла составляет более половины жилого фонда и оценивается в 17,5 км2. Потенциал атмосферы региона наименее приспособлен к самоочищению, что способствует формированию серьёзных проблем для населения. Предварительная технологическая обработка угля в настоящее время отсутствует, не существует внедрённых разработок экологически чистых технологий сжигания
твёрдых топлив на основе тувинских углей (Балакина, Куликова, 2018; Куликова, 2014).
При добыче углей открытым способом образуются огромные количества углесо-держащих отходов. Соприкасаясь с воздухом, уголь начинает окисляться уже при температуре 20-25 С. В процессе выветривания потребительские характеристики углей ухудшаются: повышается зольность (до 42 %), влажность (до 21 %), количество мелких фракций, снижается теплотворная способность и спекаемость; витринитовые компоненты подвергаются фюзенизации. Ухудшение технологических свойств углей происходит также в результате длительного хранения на складах. Из-за низкого качества окисленные угли практически не перерабатываются и вместе с вскрышными породами сбрасываются в отвалы. Проблема утилизации углесодержащих отходов и некондиционных окисленных углей является актуальной. Инновационное развитие угольной генерации заключается в усовершенствовании технологии сжигания угля, увеличении потребления низкокачественных углей и использовании экологически безопасного топлива. За счёт улучшения качества угля можно снизить объём дымовых выбросов на 15-20 %.
Объектом исследования являлись угли, реализуемые с топливных складов в г. Кызыле: каахемский, элегестский, окисленный межегейский каменные угли, балах-тинский бурый уголь. Подбор состава угольной шихты для сжигания и получение топливных брикетов на их основе позволит решить проблему снижения вредных выбросов в атмосферу. В таблице 1 представлены результаты рентгенофлуоресцентно-го микроанализа углей.
Таблица 1. Элементный состав углей
Уголь Элементный состав, %
С О № Mg М Si S K Ca Fe
Каахемский каменный 76,16 11,39 1,08 0,82 1,20 1,00 0,82 0,60 1,39 2,54
Элегестский каменный 78,92 12,56 0,90 0,60 1,10 1,36 0,71 0,54 1,17 2,14
Межегейский окисл. 51,39 30,14 1,26 0,92 4,05 6,44 0,82 0,69 0,89 3,41
Балахтинский бурый 67,72 30,85 0,05 0,06 0,33 0,4 0,19 0,01 0,23 0,14
Основным свойством энергетических углей, характеризующим реальное количество тепловой энергии, заключённой в топливе, является низшая теплота сгорания на рабочую массу. Теплота сгорания в первую очередь определяется содержанием в топливе углерода, большое содержание углерода увеличивает количество тепловой энергии, получаемой при сжигании топлива. Низшая теплота сгорания каахемского и элегест-ского каменных углей составляет 27,2-29,3 МДж / кг, количество теплоты, выделяемое при сгорании межегейского окисленного угля значительно ниже. Для каменных углей Улуг-Хемского бассейна характерны низкая зольность и малосернистость, относительная чистота по тяжёлым металлам и токсичным элементам (Куликова, 2014). Угли Балахтинского (Большесырского) месторождения обладают выдающимися характеристиками в линейке бурых углей Канско-Ачинского бассейна: угли характеризуются повышенными показателями отражения витринита Ка (0,45-0,49 %), низшей теплоты сгорания Qi (20,1-21,4 МДж / кг) и пониженной зольностью Ad (46 %) (Патраков, Семёнова, 2012). Совокупность этих характеристик определяет повышенный интерес к использованию балахтинского угля как относительно высококалорийному энергетическому сырью.
Были составлены шихты из углей разных месторождений (окисленные и некондиционные, пылеобразные, низкосортные угли) в разных соотношениях. Для исследования выхода продуктов неполного сгорания при сжигании угля в естественных условиях в печи, была смоделирована экспериментальная печь с фильтром для улавливания твёрдых загрязняющих веществ и сажи, которая представляет собой метал-
лический корпус прямоугольной формы (И = 520 мм), открытый с нижней стороны. К верхней части корпуса приварен патрубок с гофрированной алюминиевой трубой ^ = 100 мм, И = 580 мм) с фильтром для улавливания летучих загрязняющих веществ. Уголь сжигают на нихромовой спирали (как на колосниковой решётке), расположенной на плите из огнеупорного материала. Печь установлена в вытяжном шкафу, в её нижней части имеется патрубок для подачи воздуха в зону горения (рис. 1)
Рисунок 1. Печь с фильтром для улавливания летучих загрязняющих вещества и сажи
Таблица 2. Выход твёрдых выбросов, сажи и золы при сжигании угольной шихты (10 г)
Наименование Масса твёрдых выбросов и сажи, г Масса золы, г Низшая теплота сгорания, 0< , МДж / кг
шихта (1 : 1) каахемский : элегестский 0,014 4,838 28,9
каахемский : балахтинский 0,004 2,625 -
каахемский : межегейский окисленный 0,026 3,382 26,8
шихта (1 : 2) каахемский : элегестский 0,011 4,821 28,5
каахемский : балахтинский 0,002 2,612 -
каахемский : межегейский окисленный 0,022 3,370 25,5
Примечание. Прочерк — не определялось.
Исследовано влияние топлива различного состава на выход продуктов неполного сгорания (сажи, твёрдых выбросов) при сжигании в экспериментальной печи
с фильтром. При сжигании сначала из-за высокого содержания летучих веществ уголь быстро разгорается и быстро сгорает. Для полного сгорания уголь должен подаваться в печь маленькими порциями, чтобы выделяющиеся летучие вещества успевали полностью соединяться с кислородом воздуха. Выход твёрдых выбросов, сажи и золы при сжигании угольной шихты представлены в таблице 2 (Монгуш, Куликова, 2018).
Наибольшим выходом твёрдых выбросов и сажи при сжигании характеризуется шихта (1 : 1) из каахемского и межегейского окисленного углей, выход твёрдых выбросов и сажи в дымовых газах уменьшается при сжигании угольной шихты из ка-ахемского и балахтинского углей. Выход твёрдых выбросов и сажи в дымовых газах при сжигании шихты (1 : 2) из каахемского и балахтинского углей уменьшается до 0,002 г; из каахемского и элегестского углей выход сажи составляет 0,011 г.
Дымовые выбросы включают твёрдые частицы, сажу и дымовые газы. Состав выбрасываемых твёрдых частиц включает: SiO2, А1203, Fe2Oз, СаО, MgO, К20, №20, ТЮ2, Мп02, Р205. В саже и дымовых газах содержатся летучие органические соединения (ЛОС), а также полиароматические углеводороды (ПАУ), обладающие канцерогенными свойствами. Особенно токсичны трёх-, пятиядерные ПАУ, такие как бен-флуорены, бенз(а)антрацен, бенз(а)пирен, перилен и др. Бенз(а)пирен — один из наиболее опасных канцерогенов, является индикаторным веществом для всей группы ПАУ. Из летучих органических соединений (ЛОС) в дымовых газах могут содержаться соединения различных классов: углеводороды (предельные, непредельные, ароматические) и их производные (спирты и фенолы, простые и сложные эфиры, альдегиды, кетоны, органические кислоты) (Руководство ..., 1991).
Для исследования состава загрязняющих веществ (ЛОС, ПАУ и др.) в дымовых газах был рассчитан объём продуктов сгорания (дымовых газов) при сжигании 1 кг угля. Согласно расчёту (Богачева, 2011) объём продуктов составляет 8,67 м3 / кг. Удельный объем уходящих газов при нормальных условиях при сгорании одного килограмма угля равен 13,3 нм3 / кг, где нм3 — нормальный кубический метр, внесистемная единица измерения количества вещества (Методические ., 1990).
Так как в экспериментальной печи моделируется сжигание угля в естественных условиях, то для отбора дымовых газов используют схемы с объёмным приёмником с созданным разрежением для отсоса дымовых газов из зоны горения. Одним из вариантов приёмника для сбора дымовых газов может служить газгольдер с расширяющимся объёмом, создающимся механическим приводом. Из-за сложной конструкции такого газгольдера предлагается использование приёмника с расширяющимся объёмом, созданным за счёт истечения жидкости из герметичной ёмкости жёсткой конструкции с патрубком для отсоса дымовых газов. В качестве приёмника дымовых газов может служить ёмкость с затворной жидкостью, снабжённая патрубком снизу (регулирование скорости истечения воды) и с патрубком сверху для отбора дымовых газов из печи. По мере вытекания затворной жидкости из ёмкости, в верхней её части и выхлопной зоне печи будет создаваться близкое к изобарическому разреженное давление, способствующее отводу дымовых газов из печи и притоку свежего воздуха в зону горения. По сути, эта ёмкость моделирует тягу дымохода в обычной печи. Таким образом, увеличивая или уменьшая скорость вытекания затворной жидкости из ёмкости можно регулировать скорость процесса горения угля. На рисунке 2 схема печи с ёмкостью для отбора дымовых газов из зоны горения и фильтром. Отбор проб ЛОС и нелетучих загрязняющих веществ, которые находятся в виде паров и аэрозолей (наиболее важные — ПАУ) можно улавливать в патроне со стекловолокном, установленным до приёмника дымовых газов. Собранные таким образом пробы ЛОС и нелетучих загрязняющих веществ извлекают со стекловолокна и патрона экстракцией различными органическими растворителями, напр., гексаном.
Исследования влияния состава угольной шихты на выход загрязняющих веществ, анализ состава летучих органических веществ в дымовых газах при сжигании топлива позволят получить новые сведения и обосновать подходы при его переработке.
Рисунок 2. Модельная печь со сборником для отбора летучих загрязняющих веществ и фильтром для улавливания загрязняющих веществ
ЛИТЕРАТУРА
Балакина Г.Ф., Куликова М.П. Экологические проблемы формирования углепромышленной территории в Республике Тыва // Уголь. - 2018. - № 11. - С. 96-101.
Богачева Т.М. Расчёт продуктов горения топлив в энергетических котлах и вредных выбросов в окружающую среду. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. - 14 с.
Куликова М.П. Исследование физико-химических свойств Улуг-Хемских углей // Энергетик. -2014. - № 8. - С. 29-33.
Методические указания по расчёту выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с дымовыми газами отопительных и отопительно -производственных котельных [Электрон. ресурс]. - М.: АКХ им Памфилова, 1990. - Режим доступа: https://meganorm.ru/Index2/1/4294814/4294814864.htm, свободный.
Монгуш А.В., Куликова М.П. Исследование влияния состава топлива на выход летучих загрязняющих веществ при сжигании угля // Материалы V Междунар. науч.-практ. конф. молодых учёных, аспирантов и студентов (26-29.09.2018, Кызыл). - Кызыл: ТувГУ, 2018. -С. 167-168.
Патраков Ю.Ф., Семёнова С.А. Особенности химического состава различных петрографических компонентов бурого угля Балахтинского месторождения // Химия твёрдого топлива. - 2012. -№ 1. - С. 3-8.
Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны. - М.: Химия, 1991. -693 с.
