Влияние параметров промороженного шлака на количество подвижной воды в условиях их статического взаимодействия Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 6 (2011 4) 653-660

УДК 621.182.9

Влияние параметров промороженного шлака на количество подвижной воды в условиях их статического взаимодействия

Т.А. Кулагина*, Е.П. Хаглеев, П.Е. Хаглеев

Сибирский федеральный университет Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1

Received 2.12.2011, received in revised form 9.12.2011, accepted 16.12.2011

Исследуется статическое тепловое взаимодействие водной составляющей пульпы и промороженного шлака как один из аспектов технологии зимнего намыва шлака в дренированный шлакоотвал. Установлено влияние времени контактирования воды с частицами промороженного шлака, размеров частиц шлака, а также начальной температуры шлака на количество воды, сохраняющейся в жидкой фазе и способной двигаться в порах. Применительно к средне- и крупнозернистому шлаку подтверждена справедливость калориметрического критерия незамерзаемости воды в порах промороженного до минус 25...27 °С шлака, в котором до 80... 90 % воды остается в жидкой фазе и сохраняет подвижность. Установлена непригодность шлака с размером частиц менее 2 мм для зимнего намыва в дренированные шлакоотвалы угольных электростанций.

Ключевые слова: промороженный шлак, водная составляющая пульпы, температура и размер частиц шлака, калориметрический критерий, жидкая фаза воды, вода, сохранившая подвижность.

Введение

Российская экономика ориентирована на использование свежих природных материалов. Поэтому на угольных тепловых электростанциях (ТЭС) к золе и шлаку относятся как к бесполезным отходам, накапливаемым в золоотвалах. По оценкам их ёмкость превышает уже 1,5 млрд т. В условиях слабого технического и природоохранного контроля, недостатка средств финансирования данные объекты, состояние которых с каждым годом ухудшается, служат серьёзным источником экологических проблем. В то же время зола и шлак являются ценными видами сырья. Например, в западных странах утилизация золы и шлака приближается к 8090 %, а на территории Германии вообще отсутствуют постоянно действующие золоотвалы. Таким образом, утилизация золы и шлака решает две задачи: с одной стороны, устраняет неблагоприятное воздействие золоотвалов на окружающую среду, а с другой - позволяет получать дешёвое сырьё, отказываясь от разработки ископаемых месторождений.

* Corresponding author E-mail address: klv_post@mail.ru

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

Для повышения степени утилизации золы и шлака необходимо организовать раздельную выдачу золы и шлака потребителям [1] . Избыточное их количество, которое может быть в данный момент принято потребителями, лледует складировать: золу в золоотвалах, шлак -в дрениро ванн ых шлакоотвылах или о комбон иро ванных дре нированоых золошлакоотвалах [2]. Однако согласно действующи м нормативам [2] намыв шлака в дренированные шлакоотвалы или в боковую зону комб инированных дренированных оолошлакоотвалов допускается только в теплое время года. Возникает проблема раздельного складирования шлака в холодный период.

Авторами на основании экспериментальных исследований [3] было показано, что намыв шлака системами гидротранспорта в дренированные шлакоотвалы можно производить не только в теплое, но и в холодное время года. Далее был проведен ряд экспериментально-теоретических исследований для обоснования технологии круглогодичного намыва шлака в дренированный шлакоотвал. В настояюоей работе рассматривается вопрос, связанный с установлением влияния параметров проморожен ного шлакана количество воды, сохраняющейся в жидкой (фазе и способной двигаться в порах по сле ее статичного контактирования с частицами шлака.

1. Калориметрический критерий незамерзаемости воды в промороженном шлаке

На основании сравнен ия тепло вых потенциалов водной составляющей пульпы и промороженного шлака полу чен и экспериментально проверен колориметрический (статический) критерий незамерзаемости водной составляющей пульпы [4, 5]:

к = < =_т ■ р* ■ К •(о - ) + дР„ ]_

" А<21 [Р, ■ С* ■ ([ - т) + Рг ■ С ■ т1] ^ ({/ - ) + Рг ■ т1 ■ Чрн'

где AQw, AQs - тепловые потенциалы водной составляющей пульпы и промороженного шлака, кДж/м3; т, т ¡т, т/ - пористосто промороженно го шлака, внутренняя пористость частиц шлака и доля, занимаемая первичной влагой, перешедшей в лед; ре, рс ст с1 - соответственно плотность, кг/м3, и теплоемкость, кДжв(кг-°С), воды и льда; д - соответственно начальная температура воды, температура ее замерзания и температура шлака, °С; црИ - скрытая теплота фазового превращения воды в лед, кДж/кг; р, = (1-т¡п!) рт - кажущаяся плотность частиц шлака, кг/м3; рт - истинная плотность частиц шлака, кг/м3.

Согласно критерию незамерзаемости водной составляющей пульпы (1) значение Кн >1 обеспечивается в достаточно большом диапазоне температуры шлака от 0 до минус 60.70 °С. То есть вода, проникшая в поры промороженного шлака, полностью замерзнет, если температура шлака будет ниже минус 60 °С (рис. 1).

Следует иметь в виду, что наиболее низкая температура шлака будет наблюдаться в поверхностных слоях шлака. С глубиной температура шлака возрастает. Поэтому если условие незамерзаемости воды (1) выполняется в верхних слоях шлака, то оно будет выполнено и на более низких отметках шлакоотвала. Так, в слое, где первоначальная температура шлака была на уровне минус 20 °С, мы будем иметь минимум двукратный калориметрический запас (рис. 1).

6 5 4 3 2 1 О

Рис. 1. Зависимость калориметрического критерия от температу ры шлака: 1 - вода с температурой 0 оС в шлаке жидкого ш лакоудаления; 2 - вода с температурой 20 оС в шлаке жидкого шлакоудаления; 3 - вода с температурой 0 оС в шлаке твердого шлакоудаления; 4 - вода с температурой 20 оС в шлаке тв ердого шлакоудаления; 5 - линия з амерзания воды

При относительно высоких значениях температуры шлака водная составляющая пульпы образует три различные по физико-механическим свойствам формы:

• лёд, замёрзший на по верхности шлаковых частиц и в поровых каналах между ними;

• воду, оставшуюся ежидкой (фазе, но утратившую подвижность, образующую поверхностную плёнку на шлаковых часцицах и частицах образовавшегост льда, удерживаемую цилами адгезии;

• веду, оставшуюсяв жидкой фазе и сохранившую подвижность в свободном поровом пространстве шлака (далее для краткости - подвижную воду).

Чем выше первоначальная температура шлака, тем большее количество воды в порах шлака сохранится в жидкой фазе, и за минусом пленочной связанной воды будем иметь большее количество подвижной воды.

2. Экспериментальное исследование влияния параметров промороженного шлака на количество подвижной воды

Для более детального изучения факта статической незамерзаемости водной составляю -щей пульпы и условий, влияющих на количество подвижной воды в порах промороженного шлака, была проведена серия опытов.

Цель данной серии состояла в установлении влияния на количество подвижной воды:

• продолжительности статического контакта водной составляющей пульпы с промороженным шлаком (1, 10, 30 мин, 1, 3, 6, 12, 24 ч);

• исходной температуры промороженного шлака;

• размеров частиц промороженного шлака.

- 655 -

К*

0 -20 -40 -60 -60 -100

2.1. Методика проведения эксперимента

В эксперименте использовали шлак жидкого шлакоудаления одной из красноярских ТЭЦ, работающей на угле Ирша-Бородинского месторождения. Для испытаний были подготовлены образцы шлака с размерами частиц: 8-12, 6-8, 4-6, 2-4, 1-2, 0 -1 мм.

Во всех фракциях были образцы массой 1 кг. Влажность шлака составляла от 2,4 % для крупнозернистых образцов до 9,8 % - для мелкозернистых.

Низший уровень охлаждения шлака ts = минус 27 оС выбирали по следующим соображениям. Регионами с наиболее суровыми погодными условиями в Российской Федерации являются Сибирь и районы Крайнего Севера. Слабая освоенность, неразвитая инфраструктура, узкая экономическая ориентация на добычу полезных ископаемых и нерентабельность создания непрофильных производств, которые могли бы быть по требителями золы и шлака, указывают на отсутствие потребности в созданиидренируемых шлакоотвалов ТЭС на территориях, относящихся 1С Крайнему Северу. Среди сибирских городов наименьшая среднемесячная температура наблюдается в январе в и. Чите минус 26,2 оС [6]. В качестве контрольной точки выбирается минимальная среднемесячная, а не минимальная суточная температура в связи с тем, что шлакоотвал предс тавляет собой систему с очень высокой тепловой инерцией.

В серии опытов, определяющих влияние температуры промороженного шлака на количество подвижной воды, использовали ещё две точки: минус 5 и минус 15 °С.

Образцы шлака помещали в морозильную камеру, где они охлаждались до контрольных значений температуры. После промораживания шлак дасыпали в термос, предварительно охлажденный до той же температуры, что и образец шлака, с одновременной заливкой пор про мороженного шлака водой с температурой 7 °С.

Термос с испытуемой смесью помещался в термостатирующую емкость, заполненную водой со льдом, которая, в свою очередь, помещалась в холодильную камеру с температурой 5...7 °С для сохранения в пределах продолжительности опыта ну левой температуры в термостате1.

По истечении заданного времени термос извлекали из термостата. Слив воды из термоса производили через мелкоячеистую сетку в тонкий пластиковый сосуд, охлаждённый до 0 оС. Iй ходе с лива измерялась температура вылившейся воды. По онннчании слива подвижной воды измерялась её масса, а также температура шлака в термосе с остатками воды в виде льда и воды, утративше й подвижность.

Количество подвижной воды определялось как

^ = ^ / и-0, (2)

где с - масса воды, оставшейся в подвижном состоянии после контактирования с частицами премороженного шлака, кг; ас 0 - мас са воды, первоначалнно помещенная в поры промороженного шлака, кг.

2.2. Анализ результатов эксперимента

Исследование влияния продолжительности статического теплового контакта промороженного шлака и водной составляющей пульпы показали, что температура частиц шлака при вступлении в контакт с водой быстро повышается от минус 25.27 °С до минус 0,3.0,5 °С.

Рис. 2. Зависимость доли воды, оставшейся в подвижном состоянии, от времени контактирования с частицами промороженного шлака: 1 - фракция шлака 8-12 мм; 2 - фракция 6-8 мм; 3 - фракция 4-6 мм; 4 - фракция 2-4 мм

Рис. 3. Зависимость доли воды, оставшейся в подвижном состоянии, от размера шлаковых частиц: 1 -температура шлака минус 5 оС; 2 - температура шлака минус 15 оС; 3 - температура шлака минус 27 оС; (150 - средний размер частиц фракции шлака

Температура воды, в свою очередь, также быстро с момента вступления в контакт снижается от 5.7 до 0,1...0,3 °С (рис. 2) . По сле чего на протяжении всего времени испытания значения температуры шлака и воды в термо стате практически не меняются.

Количество подвижной воды в порах в условиях термостатирования также мало зависит от продолжительности контактирования воды и промороженного шлака.

Заметное влияние на количество подвижной воды оказывает размер частиц шлака рис. 3.

Рис. 4. Зависимость доли воды, оставшейся в подвижном состоянии, от температуры промороженного шлака разных фракций: 1 - фракция шлака 8-12 мм; 2 - фракция 6-8 мм; 3 - фракция 4-6 мм; 4 - фракция 2-4 мм; 5 - фракция 1-2 мм; 6 - фракция 0-1 мм

Наибольшая величина Шт наблюдалась для крупнозернистого шлака - фракция 8-12 мм, где подвижная вода составила 90 % от количества воды, первоначально залитой в поры промороженного шлака.

Наименьшее количество подвижной воды наблюдалось в образцах с относительна малыми размерами частиц - фракция 1-2 мм, где количество оставшейоя в шлаке воды, утратившей подвижность, в виде льда и жидкой плёнки составило 20 % первоначального кяличе ства.

Исследовония слияния темперлтуры частиц шлака на количество воды, сохранившей подвижность после статическооя контакта с промороженным шлаком (рис. 4), показало, что с понижением начальной темперакуры шлака от минус 5 до минут 27 °С, как и следовало ожидать, количёотво подвижной воды снижается. Даже в образцах крупнозернистого шлака 4-6, 6 -8 и 8-12 мм величина падает на 6.10 %. Причем падение Жт увеличивается с понижением размеров частиц шлака.

Вторая группа образцов шлака 1-2 и 2-4 мм обладает общим снижением количества подвижной воды от первцй группы. Так, в образце шлака с °азмером частиц 1-2 мм уже при минус 5 °С величина ]¥т составляет 90 %, что на 6-9 % оеноше, чем для образца шлака с частицами 8-12 мм, а при минус 25 тС количество подвижной воды с оставляет тоыько 77 %.

(Самый низкий процент шоличества подвижной воды соответствует мелкозернистому шлаку с частицами 0-1 мм. Этл можна объяснить весьма развитой! поверхностью чостиц мелкозернистого шлака, в алязи с этим интенсивного переохлаждения воды в начальный момент и превращения ее в лед вокруг этих частиц. Высокая уделпная паверхность мелоязлрнистого шлака приводит и к большему количеству связанной пленочной воды, образующейся на частицах поверх ледяной прослойки.

Вода, сохранившая подвижность после контактирования с частицами мелкозернистого шлака, истекает значительно медленнее, чем из средне- и крупнозернистого шлака. Низкая

проницаемость мелкозернистого шлака наблюдается и в случае положительных значений температуры шлака. В условиях же образования льда и плёнки связанной воды на частицах промороженного шлака тонкие поровые каналы ещё более сужаются, а оставшаяся в расширенных частях поровых каналов вода, сохранившая подвижность, оказывается защемлённой суженными частями каналов.

Результаты на рис. 3, 4 свидетельствуют о невозможности намыва мелкозернистого шлака в дренированный шлакоотвал в холодный период года. Об этом же говорят предварительные опыты, проведенные в лабораторных условиях по промывке колонны с промороженным мелкозернистым шлаком с частицами размером 1-2 мм. Вода первоначально хорошо впитывается в шлак, но затем над поверхностью шлака появляется слой избыточной воды. Это говорит о том, что приемистость мелкозернистого шлака ниже расхода поступающей с пульпой воды. Образование вокруг частиц шлака льда и поверх его пленочной воды сужает и без того тонкие поры мелкозернистого шлака, что существенно снижает его водопроницаемость. Образование поверхностной воды в шлакоотвале в зимний период недопустимо ввиду возможного образования неуправляемых сосредоточенных потоков воды на поверхности шлакоотвала, образования наледей и т. д.

Выводы

1. Экспериментально установлено, что калориметрический критерий, указывающий на то, что вода в условиях статического контактирования с частицами промороженного до минус 27 °С шлака не замерзает, справедлив. До 80.90 % воды, находящейся в порах средне- и крупнозернистого промороженного шлака, остается в жидкой фазе и сохраняет подвижность.

2. Время контактирования воды с частицами промороженного шлака в термостатированных условиях практически не влияет на количество воды, сохранившей подвижность.

3. Количество воды, сохранившей подвижность, тем выше, чем крупнее частицы промороженного шлака. В таком шлаке количество образующегося льда в результате переохлаждения воды при вступлении ее в контакт с промороженными частицами шлака не может перекрыть поровые каналы и остановить продвижение воды в шлаке, что было подтверждено в ранее проведенных опытах [1].

4. Чем ниже начальная температура промороженного шлака, тем меньше количество воды, оставшейся в жидкой фазе и сохранившей подвижность.

5. В мелкозернистом промороженном шлаке с размерами частиц менее 1 мм наблюдается наименьшее количество воды, оставшейся в подвижном состоянии. Применительно к этому шлаку калориметрический критерий не выполняется: большое количество воды переохлаждается, превращаясь в лед, к тому же образуется не меньшее количество пленочной воды. Все это говорит о нежелательном присутствии мелкозернистого шлака в составе пульпы при зимнем намыве шлака в дренированный шлакоотвал.

Предыдущие опыты показали, что льдоводяная смесь в термостате с температурой 0 °С в холодильной камере сохраняется более суток.

Список литературы

[1] Состав и свойства золы и шлака ТЭС: справочное пособие/ В. Г. Пантелеев, Э. А. Ларина, В. А. Мелентьев и др.; Под ред. В. А. Мелентьева. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние. 1985. 288 с.

[2] Руководство по проектированию дренированных золоотвалов тепловых электрических станций. (П. 64-77). Л.: Энергия, 1977. 67 с.

[3] Хаглеев Е. П., Хаглеев П. Е. О возможности продления срока намыва шлака в дренированный шлакоотвал // Изв. вузов. Проблемы энергетики. 2010. № 5-6. С. 96-103.

[4] Хаглеев П. Е. Калориметрический критерий сохранения воды в жидкой фазе в промороженном шлаке // Экологическая безопасность регионов России и риск техногенных аварий и катастроф: XI международная научно-практическая конференция. Пенза, 2011. С. 88-92.

[5] Хаглеев П. Е., Хаглеев Е. П. Экспериментальная оценка теплового баланса водной составляющей пульпы и промороженного шлака в статических условиях // Перспективное развитие науки, техники и технологий: Материалы международной научно-практической конференции / Юго-Зап. гос. ун-т. Курск, 2011. С. 240-243.

[6] СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» М.: Госстрой России, 2000. С.21.

Impact of Freezing Slag Parameters on Mobile Water Quantity with Their Static Interaction

Tatyana A. Kulagina, Eugeny P. Khagleev and Pavel E. Khagleev

Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia

The static thermal interaction of water component ofpulp and freezing slag is explored as a one of the point of a winter slag silting technology in a drained slag heap. It was established the impact of the duration of contact, the size offreezing slag fraction and the initial temperature offreezing slag on the liquid mobile water quantity. The correctness of non-freezing of water calorimetric criterion with the pore of freezing to - 27 degrees Celsius coarse- and medium-grained slag was confirmed. In this case about 80... 90 % of water remains liquid and mobile. It was ascertained a slag fraction under 2 mm unfitness for winter slag silting in a drained slag heap of coal-fired power plants.

Keywords: freezing slag, water component of pulp, temperature and size of slag fraction, calorimetric criterion, liquid water phase, mobile water.