Научная статья на тему 'Морфологические особенности золы от энергетического сжигания бурого угля'

Морфологические особенности золы от энергетического сжигания бурого угля Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
975
139
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Буваков К. В., Заворин А. С., Гладков В. Е.

Приведены результаты изучения структуры и состава поверхности частиц золы, уловленной в электрофильтре котельной уста" новки с котлом БКЗ"420"140 Ф при сжигании ирша"бородинского угля, полученные с использованием рентгеновского микроа" нализатора. По морфологическим признакам выделены типы частиц с различным строением поверхности и объема, что предо" пределяет широкий диапазон потенциальной склонности к взаимодействиям, в том числе с газообразными компонентами про" дуктов сгорания, включая взаимодействия сорбционного характера.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Буваков К. В., Заворин А. С., Гладков В. Е.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Morphological peculiarities of ash obtained by energetic burning of brown coal

The results of structure and composition examination of ash particle surface caught by electrofilter of boiler installation with БКЗ-420-140 Ф boiler when burning irsha-borodin coal obtained by using roentgen microanalizer are presented. By morphological features the types of particles with different surface and volume structure are distinguished, which predetermines a wide range of potential capacity of interaction with gaseous components of burning products among them, including interactions of sorption character.

Текст научной работы на тему «Морфологические особенности золы от энергетического сжигания бурого угля»

УДК 621.182:549.01.08

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗОЛЫ ОТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СЖИГАНИЯ БУРОГО УГЛЯ

К.В. Буваков, А.С. Заворин, В.Е. Гладков*

Томский политехнический университет E-mail: kvb@tpu.ru *Уральский теплотехнический НИИ, г. Челябинск E-mail: ural-vti@chel.surnet.ru

Приведены результаты изучения структуры и состава поверхности частиц золы, уловленной в электрофильтре котельной установки с котлом БКЗ-420-140 Ф при сжигании ирша-бородинского угля, полученные с использованием рентгеновского микроанализатора. По морфологическим признакам выделены типы частиц с различным строением поверхности и объема, что предопределяет широкий диапазон потенциальной склонности к взаимодействиям, в том числе с газообразными компонентами продуктов сгорания, включая взаимодействия сорбционного характера.

Введение

Строение частиц золы, образующихся при сжигании в энергетических установках, а также состояние их поверхности влияют на характер взаимодействий золы с тепловоспринимающими конструкциями в газовом тракте котлов (образование отложений, абразивный износ и др.) [1] и тем самым - на эксплуатационную надежность энергетических установок. Наряду с этим морфология частиц определяет и возможности расширения использования золы как весьма ценного техногенного сырья. Последнее тоже чрезвычайно актуально, поскольку в отечественной практике уровень использования золошлаковых отходов все еще недостаточен количественно: перерабатывается примерно 7 % от объема производимых золошлаковых материалов [2]. В качественном отношении состояние использования золошлаковых отходов также не развивается нужными темпами: они утилизируются главным образом в простейших технологиях (отсыпка оснований дорог, дамб, добавка в бетоны и т.п.), где потенциальные возможности этого сырья реализуются лишь частично [2].

С учетом изложенного классификационные исследования зольного уноса тепловых электростанций с позиции морфологии частиц, выполняемые применительно к различным условиям сжигания, имеют многоплановое значение.

Методы исследования

Исследования проведены на пробах золового уноса из котла БКЗ-420-140 Ф при сжигании бурого ирша-бородинского угля с зольностью и влажностью соответственно А-6...12 %, ^=26...33 % в режиме твердого шлакоудаления. Выбор котельной установки определялся потребностью получить материал для исследований в условиях пылеугольного факельного сжигания с максимальной долей выноса золы из топки и при сухом золоулавливании. Отбор проб проведен из IV поля электрофильтра типа УГ в соответствии с требованиями к соблюдению представительности. Для выявления морфологических типов золовых частиц в уносе использована растровая электронная микроскопия

(РЭМ-200). С целью облегчения дифференциации отдельных групп частиц применено фракционирование по размеру (на рассевочной машине со стандартными ситами для ситового анализа) и по магнитной восприимчивости. Структура и состав поверхности, особенности строения частиц каждой группы изучались по аншлифам на рентгеновском микроанализаторе СотеЬах-т1кго французского производства, оснащенном приставкой для получения сканирующих электронных микрофотографий. Для получения аншлифа зола смешивалась с эпоксидной смолой ЭДП-2 в соотношении 1:2, этой массой заполнялось стальное кольцо диаметром 25 мм и высотой 7 мм. После отвердевания в течение суток при 30 °С проводилось непосредственное изготовление аншлифа в соответствии с требованиями метода к исследуемому материалу [3] по этапам: шлифование, доводочная полировка, промывка спиртом, вакуумная сушка, нанесение углеродной пленки термическим распылением в вакуумной камере.

Морфологические типы

Примеры экспозиции при электронной микроскопии золы представлены вариантами микрофотографий на рис. 1. Частицы в составе золы неоднородны как по форме, так и по состоянию поверхности, причем эта неоднородность сохраняется в различных группах размерных фракций. Тем не менее, всю совокупность частиц можно разделить на следующие типы:

• сфероиды различного диаметра, образовавшиеся в результате затвердевания расплавленных частиц, взвешенных в потоке дымовых газов (фиксируются несколько типов в зависимости от состава);

• непроплавленные и частично оплавленные. Плавление неорганической массы угольных частиц влияет на агрегатирование золы: отмечаются сфероиды, поверхность которых покрыта закрепившимися в расплаве более мелкими частицами, а также сфероиды, сцепленные между собой за счет контакта расплавленных поверхностей.

Не менее 20 мас. % золового уноса приходится на магнитные частицы (сфероиды), образовавшиеся при затвердевании из расплавленного состояния. Остальная часть уноса представлена алюмоси-ликатными частицами сферической формы (как сплошными, так и полыми), а также непроплав-ленными (осколочной формы), преимущественно кварцевыми частицами.

Строение и состав

Наибольшую долю магнитной фракции составляют сфероидальные частицы I типа, в фазовом составе которых преобладают магнетит (Fe3O4) в смеси с гематитом (Fe2O3) либо твердый раствор (Fe3-xAlx)O4. Присутствие последнего обнаруживается по смещению дифракционных максимумов в область малых углов отражения. При этом химический состав частиц представлен в основном оксидами железа, алюминия и кремния, тогда как суммарное содержание других оксидов находится на уровне 3...5 мас. %. Структура таких частиц (рис. 2) сложена дендритными кристаллами с развитыми осями второго и третьего порядка, распределенными в стекловидной матрице, близкой по своему составу к фаялиту (Fe2SiO4). При травлении частиц в 0,1 N растворе плавиковой кислоты стеклообразная матрица растворяется, и первичные кристаллы хорошо наблюдаются в поверхностном слое (рис. 3, а). С увеличением времени травления количество растворенного стекла увеличивается, а частицы распадаются на отдельные составляющие их дендритные кристаллы (рис. 3, б), представленные смесью фаз Fe3O4 с Fe2O3. Поскольку кальций в ирша-боро-динском угле главным образом входит в органо-ми-неральные соединения [4, 5], малое содержание CaO в составе данных частиц свидетельствует, что они сформировались из пылеугольных частиц, включавших сростки SiO2, FeS2, K^NaAlSiA. Следовательно, источником частиц-сфероидов I типа

могли быть пылеугольные частицы с размером не менее 50 мкм и с довольно высоким содержанием минерального балласта. При этих условиях глубокое проплавление их зольного остатка может быть связано с экзотермическим эффектом сгорания колчеданной серы и пребыванием в области активного тепловыделения по траектории факела.

Рис. 2. Распределение элементов в структуре сфероидов I типа: 1, 2, 3 - варианты примеров экспозиции; а -отраженный поток электронов; б, в, г - характеристическое К-излучение соответственно Fe, 51, А1

Рис. 4. Распределение элементов в структуре сфероидов II типа: 1, 2 - варианты примеров; а, б, в, г - характеристическое К-излучение соответственно Fe, АI, Са, 51

II тип сфероидальных частиц (рис. 4) также относится к магнитной фракции и характеризуется тем, что независимо от фазового состава объема их поверхность покрыта тонкой оболочкой на основе железа с незначительным содержанием серы. Наличие оболочки может быть связано с расслоением расплава на два - сульфидный и силикатный, в определенных пропорциях не смешивающихся при температурах 700...800 °С [6]. Эта версия находит подтверждения сведениями о высокой текучести сульфидных расплавов, образующихся в частично выплавляющихся системах на основе силикатов [7].

Сфероидальные частицы III типа не обладают выраженными магнитными свойствами и в основе представляют собой алюмосиликатные образования, которые объемно являются сплошными либо полыми. В ряде случаев внутри полых сфероидов находятся более мелкие сплошные сферы (рис. 5, а). Подобные «включенные» микросферы, находящиеся в общей оболочке внешнего сфероида, наблюдаются при сжигании разных углей и при других топочных технологиях [8]. Судя по распределению элементов (рис. 5, б—е), алюмосиликатная основа оболочки полых сфероидов содержит также Са, Fe, К. По данным рентгено-фазового анализа, основными минералогическими составляющими оболочек являются стеклофаза, муллит, мелкие вкрапления кварца, примеси гематита и продуктов распада полевых шпатов.

Рис. 5. Распределение элементов в структуре сфероидов III типа: а - отраженный поток электронов; б, в, г, д, е, ж - характеристическое К-излучение соответственно Са, Fe, К, АI, 51, 5

Очевидно, что на формирование фазового состава полых сфероидов помимо специфики минеральной части исходных пылеугольных частиц влияют уровень и распределение температуры в топочной камере, а также продолжительность пребывания частиц в зоне высоких температур, которая определя-

Рис. 6. Распределение элементов в структуре непроплавленных и частично оплавленных частиц: 1 ~ магнитная фракция; 2 ~ немагнитная фракция; а - отраженный неселекционированный поток электронов; б, в, г, д, е - характеристическое К-из-лучение соответственно Са, Fe, АI, 51, К

ется аэродинамическими факторами ведения топочного процесса. При естественных для факельной технологии отличиях в составе строение полых сфероидов указывает на то, что необходимым условием их формирования является наложение процессов плавления неорганической массы угольной частицы и выделения парогазовой фазы после выхода летучих компонентов горючей массы. Для образования и сохранения полой сферы необходимо также соблюдения определенного соотношения между действующими на оболочку и противоположно направленными усилиями: давлением газовой среды внутри сферы (р1) и давлением под действием поверхностного натяжения (р2):Л=Рг. В соответствии с этим в ходе нагрева частиц с появления алюмосили-катного расплава, на понижение температуры образования и повышение текучести которого влияют примеси калия, железа, кальция, газообразные продукты диссоциации карбонатов и сульфидов, а также водяной пар из остатков кристаллогидратной влаги и межпакетной влаги глинистых минералов образуют в расплаве субмикронные газовые пузырьки. Взаимодействия с полидисперсным потоком в объеме топочной камеры приводят к дроблению расплава на мельчайшие капли. Те из них, которые имеют газовые включения, при нагреве раздуваются из-за увеличения объема этих включений и за счет уменьшения коэффициента поверхностного натяжения расплава в оболочке.

Образование полых сфероидов с включенными в их объем другими микросферами объясняется последовательным разогревом сначала наружных

зон минеральной основы пылеугольных частиц с отделением расплавленной оболочки от оставшегося ядра (ядер), а затем разогревом и расплавлением самого ядра. Вариант такой комплексной частицы, представленный на рис. 5, интересен тем, что «включенные» микросферы сложены в основном из кальция и железа и имеют повышенную концентрацию серы в поверхностном слое. Это можно рассматривать как прямое экспериментальное подтверждение (единственное известное авторам) гипотез [9, 10] о существовании легкоплавких эвтектических смесей с участием Са8 и FeS в процессе формирования летучей золы, имеющих важное значение для обоснования физико-химических механизмов образования прогрессирующих золовых загрязнений поверхностей нагрева котлов [11].

Распределение элементов в структуре других типов частиц показано на рис. 6. Общим для него признаком является преобладание в основной массе Si, А1, Са. При этом частицы неправильной формы, а также подобные им вкрапления в оплавленных частицах представляют собой кварц. Наличие железа соответствует оплавленным и магнитным частицам.

Заключение

Зола уноса от сжигания ирша-бородинского угля в топке с твердым шлакоудалением неоднородна по структуре частиц, по строению и составу их поверхности. С применением методов сепарации по плотности и магнитной восприимчивости

зола легко разделяется на три группы частиц, которые в силу специфики своей морфологии и состава имеют разные возможности для дальнейшей утилизации: 1) проплавленные и непроплавленные алюмосиликатные, а также осколочной формы, преимущественно кварцевые; 2) железистые, относящиеся к магнитным фракциям с высокой плотностью; 3) полые алюмосиликатные сфероиды.

Первая составляющая уноса наиболее пригодна для традиционных технологий использования золы - в качестве наполнителя, а также отсыпного материала.

Вторую составляющую уноса из-за повышенного содержания соединений железа, особенно вблизи от поверхности, что свидетельствует о склонности к спеканию [12], можно рассматривать, в частности, как извлекаемое сырье для металлургического передела или использовать в технологиях, базирующихся на агломерационных процессах.

Перспективна для утилизации третья из вышеназванных составляющих - полые сфероиды. Например, они применимы как компонент для изготовления облегченных строительных материалов и

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Заворин А.С. Проявления свойств минеральной части углей в паровых котлах. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1998. - 221 с.

2. Новые материалы и изделия из золы уноса тепловых электростанций / В.П. Михеев, С.В. Рогачева, В.И. Шаталов, А.Ф. Бернацкий // Энергетик. - 1997. - № 10. - С. 16-17.

3. Рид С. Электронно-зондовый микроанализ. - М.: Мир, 1979.

- 424 с.

4. Лебедев И.К., Карякин С.К., Закоурцев Г.Н. Разновидности форм минеральных компонентов в канско-ачинских углях // Влияние минеральной части энергетических топлив на условия работы парогенераторов: Матер. II Всесоюзн. конф. - Таллин, 1974. - Т. 1. - С. 42-48.

5. Заворин А.С. Состав и термические свойства минеральной части бурых углей (теплотехнический аспект). - Новосибирск: Изд-во ИТ СО РАН, 1997. - 187 с.

6. Минералы: Справочник / Под ред. Ф.В. Чухрова и др. - М.: Изд-во АН СССР, 1974. - 570 с.

7. Эйтель В. Физическая химия силикатов. - М.: Изд-во иностранной лит-ры, 1962. - 1052 с.

стеклопористой теплоизоляции. Следует заметить, что полые частицы отмечаются в составе уноса от сжигания разных топлив [8, 13]. При этом значительная их часть остается в незавершенном состоянии вследствие либо недостаточного выделения газовой фазы, например при прохождении траектории через области с пониженной температурой топочной среды, либо частичного нарушения оболочки при столкновениях в тракте дымовых газов. В результате наряду с полыми сфероидами в уносе находятся пористые образования. Общая доля тех и других, по оценкам [8], может составлять 80...90 % объема зольных уносов тепловых электростанций. Развитая пористость совокупности частиц этого типа указывают на возможность взаимодействия с газовыми компонентами продуктов сгорания топлива по механизму физической адсорбции (подобно природным цеолитам [14]).

Соотношение между выявленными составляющими золы уноса зависит от состава минеральной части угля и от способа сжигания, характеризующегося уровнем и распределения температур в топке, аэродинамикой и составом топочной среды.

8. Компоненты зол и шлаков ТЭС / Л.Я. Кизельштейн, И.В. Дубов, А.Л. Шпицглуз, С.Г. Парада. - М.: Энергоатомиздат, 1995.

- 176 с.

9. Эпик И.П. Влияние минеральной части сланцев на условия работы котлоагрегата. - Таллин: ЭГИ, 1961. - 249 с.

10. Отс А.А. Процессы в парогенераторах при сжигании сланцев и канско-ачинских углей. - М.: Энергия, 1977. - 312 с.

11. Заворин А.С., Раков Ю.Я. Феноменологические модели образования натрубных отложений в котлах // Известия Томского политехнического университета. - 2005. - Т 308. - № 1. - С. 144-150.

12. Вегман Е.Ф. Окускование руд и минералов. - М.: Металлургия, 1968. - 258 с.

13. Савинкина М.А., Логвиненко А.Т, Кокаулина Э.В., Исакова О.Я. Свойства оксида кальция в топливных золах // Известия СО АН СССР. Сер. хим. наук. - 1984. - № 6. - С. 131-137.

14. Заворин А.С., Купрюнин А.А., Макеев А.А., Любимова Л.Л. Экспериментальные исследования термофизических свойств природных цеолитов в процессах адсорбции оксидов азота // Теплоэнергетика: экономичность, надежность, экология: Сб. статей, посвященный 100-летию ТПУ / Под ред. Л.А. Беляева.

- Томск: Изд-во ТПУ, 1997. - С. 23-25.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.