CC BY
31
УДК 621.181.7:662.613.5
ОБРАЗОВАНИЕ И ПОВЕДЕНИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ТОПКАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОТЛОВ
Т.В. КОВАЛЬ, В.М. КАРТАВСКАЯ Иркутский государственный технический университет
Предложен оригинальный подход к решению проблемы обеспечения потребительских качеств золошлаковых отходов ТЭС. Рассмотрены основные факторы, влияющие на превращение минеральной части твердого топлива и формирование определенного состава золошлаков в процессе горения.
Ключевые слова: уголь, минеральные соединения твердого топлива, энергетический котел, горение, золошлаковые отходы, золошлаковые материалы.
Введение
Производство тепловой и электрической энергии тепловыми электрическими станциями (ТЭС) оказывает существенное влияние на окружающую среду, особенно теми, что работают на угле и производят значительное количество твердых отходов в виде золы и шлака (ЗШО). Золошлаки по объему их образования и выхода занимают одно из первых мест среди отходов энергетического производства [1].
Для снижения негативного влияния золошлаков необходимо наиболее полное их использование. Однако применение в различных отраслях промышленности зол и шлаков ограничивается рядом показателей, основными из которых являются нестабильные фракционный состав и физико-химические характеристики, часто несоответствующие техническим требованиям (ТУ и ГОСТ).
Факторы, определяющие конечный минеральный состав золошлаков.
На сегодняшний день золошлаки - это побочный, нежелательный продукт деятельности ТЭС, работающих на твердом топливе. Для использования золошлаковых отходов (ЗШО) в промышленности необходима дополнительная их обработка или переработка в другой продукт - золошлаковые материалы (ЗШМ). Способ получения золошлаковых материалов, предлагаемый авторами, заключается в организации процесса горения твердого топлива непосредственно в котельном агрегате с целью формирования состава золы с определенными физико-химическими свойствами и характеристиками, необходимыми потребителю, что позволяет усовершенствовать (улучшить) существующий конечный продукт. В отличие от ЗШО качественный состав и свойства производимых ЗШМ будет соответствовать ГОСТам (25818-91, 26644-85, 10178-85, 25592-91 и др.) для использования их в различных отраслях промышленности.
Зола ТЭС определенного состава и качества от пылевидного сжигания топлива является ценным материалом, который можно широко использовать в строительной индустрии. Добавление золы улучшает качество цемента, бетона, экономит природные материалы. Разработано свыше ста технологий и нормативных документов по использованию золошлаков в строительных изделиях, пористых заполнителях, стеновых материалах, силикатных и керамических кирпичах, ячеистых бетонах; в дорожном строительстве, в сельском хозяйстве и т.д. [2].
Качество и состав золы определяются, главным образом, степенью измельчения угля и условиями работы котла [3].
При размоле топлива, а затем в процессе горения происходит перераспределение внешних и внутренних компонентов неорганического вещества топлива, связанных с его органической частью. Соотношения между ними во многом определяют характер превращений и условия перераспределения минералов в золууноса и шлак.
Исследования распределения оксидов кремния 8Ю2 и кальция СаО в шлаке и
уносе [4] показывают, что в процессе размола кремний выделяется в самостоятельные минеральные частицы, которые интенсивно сепарируют в шлак. Частицы внутренней золы, связанной с органической частью, высвобождаются в процессе сгорания пыли, и оксид кальция активно переходит в унос.
Физико-химические свойства золы и шлака ТЭС формируются в ходе превращений минерального вещества топлива при горении. Следовательно, химико-минералогический состав минеральной части (золы) топлива - основа процессов ее преобразования в топках котлов [5].
Минеральная часть углей в процессе горения претерпевает существенные изменения в результате температурного и окислительно-восстановительного взаимодействия с газообразной фазой пылеугольного факела. Температурный и окислительно-восстановительный факторы являются определяющими конечный минеральный состав золошлакового материала.
Влияние температурного и окислительно-восстановительного факторов на формирование минерального состава золошлаков
От температуры сжигания более всего зависят глубина разложения первоначальных минералов топлива на более простые соединения (например, разложение кальцита, выход серы и оксидов железа при горении колчедана (пирита)) и условия химического соединения минералов в различные новообразования.
На предприятиях ОАО «Иркутскэнерго» используются в основном угли Канско-Ачинского, Минусинского и Иркутского бассейнов, типичными представителями этих месторождений являются ирша-бородинский и азейский бурые угли. Характерными соединениями для этих углей, полученными в результате сжигания в топках котлов, являются минералы: кварц (8Ю2) и его модификации; муллит (А1б81201э); форстерит (Мg2SiO4); периклаз (МgO); силикаты кальция типа алита (СазSi05) и лейцит (КА^2Об). Эти минералы устойчиво существуют в пределах температур (1300-1700еС), характерных для топочных процессов. Иногда в этих пределах температур могут наблюдаться санидин (КА^з08) и альбит ^аА^ЬОз).
При исследовании поведения минеральных компонентов топлива (угля), в зависимости от температуры и коэффициента избытка воздуха, выявлено следующее:
1. Особенно явно влияние окислительно-восстановительного фактора на преобразования минеральных соединений топлива демонстрируют превращения железосодержащих минералов[2-5].
При коэффициенте избытка воздуха меньше теоретического (а<1) в диапазоне температур, характерных для топочных процессов, наблюдаются промежуточные соединения, например, РеАЪО4 (азейский бурый уголь) и высокальцевый Fe2Si2Об (ирша-бородинский бурый уголь).
При а=1 железосодержащие соединения окисляются более или менее полно, образуя при температуре выше 1200еС магнетит ^езО4), наличие которого характерно и для топочного режима при а > 1.
С дальнейшим повышением избытка воздуха (а>1,2) превращения соединений железа идут по следующей схеме: при температуре более 800°С идет образование Fe2Оз (гематита), а при повышении температуры более 1300°С гематит восстанавливается до FезО4 (магнетита).
2. Преобразования магнийсодержащих минералов идут по двум параллельным схемам. Первая характерна для процесса с недостатком окислителя - превращение MgSi0з при температуре более 800°С в MgSiО4. Далее, при температуре более 1100°С -в MgSiОз, исчезающий при повышении температуры выше 1з00°С.
При а>1 из Мg2Аl4Si5Оl8 при температуре 1400еС образуется Мg2SiО4, а с дальнейшим ее повышением (более 1500еС) - МgО.
3. Превращения соединений алюминия также происходят двумя путями, в зависимости от содержания алюминия в угле, которые завершаются образованием муллита (A1бSi20lз). Для рассматриваемых углей наблюдается образование соединений муллита: при температуре выше 1400°С - за счет разложения кордиерита (Мg2Аl4Si5Оl8), нефелинового ^аА^Ю4) и лейцитового (КАШЪОб) стекол.
4. Щелочные соединения калия и натрия, испаряясь при высоких температурах, влияют на формирование газовой фазы; их преобразования
однообразны и качественно не зависят от количества окислителя и приводят к образованию стеклофазы.
5. Преобразования кальцийсодержащих минералов в меньшей степени зависят от количества окислителя. Конечным соединением таких минералов является стекло алитового состава Саз8Ю5. Оно наблюдается уже при температуре выше 800еС и достигает максимума при 1100°С.
6. Содержание кварца (SiÜ2) в золошлаках слабо изменяется в зависимости от количества окислителя и определяется, главным образом, его присутствием в минеральной части угля. Температурное поведение кварца сводится лишь к изменению его модификаций [2,4,5].
Учитывая механизмы поведения минеральных компонентов угля в процессе его сжигания, возможно решение задачи выбора оптимальных режимов горения для производства золошлаковых материалов и дальнейшего их использования, то есть комплексного использования топлива.
В настоящее время разрабатывается программный комплекс «ASM/W» с целью прогнозирования химического состава золошлаков в зависимости от параметров процесса горения твердого топлива.
Выводы
Предлагается новый подход к организации производства золошлаковых материалов - формирование минерального состава золошлаков потребительского качества - при поддержании определенных режимных параметров процесса горения в существующих топках котлов, позволяющих повысить эффективность использования топлива.
Summary
The authors paper suggest the original approach to the decision of a problem of maintenance of consumer qualities ashes and slag waste products power stations is offered. General factors which influence the transformation of a mineral part of solid fuels and formation of certain structure ashes and slag during combustion processes are given.
Key words: coal, mineral compounds of solid fuels, energy boiler, combustion, ash-slag wastes, ash-slag materials.
Литература
1. Повышение экологической безопасности ТЭС: учеб. пособие / А.И. Абрамов, Д.П. Елизаров, А.Н. Ремезов и др.: Под ред. А.С. Седлова. М.: Изд-во МЭИ, 2001. 378 с.
2. Дик Э.П. Сравнение свойств золы от сжигания углей и нетрадиционных видов топлива / Э.П. Дик, Г.А. Рябов, А.Н. Тугов, А.Н. Соболева // Теплоэнергетика. 2007. № 3. С.60-64.
3. Коваль Т.В. Исследование влияния режимных параметров котлов на преобразование минеральной части топлива / Т.В. Коваль, В.М. Картавская // Материалы всероссийской НПК «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири, материалы научно-практической конференции». Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. С. 134-139.
4. Отс А.А. Процессы в парогенераторах при сжигании сланцев и канско-ачинских углей / А.А. Отс. М.: Энергия, 1977. 312 с.
5. Отс А.А. Коррозия и износ поверхностей нагрева котлов / А.А. Отс. М.: Энергоатомиздат, 1987. 272 с.
Поступила в редакцию 06 апреля 2009 г.
Коваль Татьяна Валерьевна - аспирант, старший преподаватель кафедры «Теплоэнергетика» Иркутского государственного технического университета. Тел.: 8 (3952) 22-82-55; 8 (3952) 40-54-14; 8914-8756666. E-mail: kovtanchik@mail.ru , KovalTV@istu.irk.ru.
Картавская Вера Михайловна - канд. тех. наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика» Иркутского государственного технического университета. Тел: 8 (3952) 59-28-37; 8 (3952) 40-54-14; 8-950-1018810.
E-mail: teplo@istu.irk.ru.
