Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 8
1.1 Тепловая электрическая станция — источник тепловой, электрической энергии и золошлаковых отходов 8
1.2 Оценка эффективности работы котельной установки на твердом топливе 19
1.3 Энерготехнологическое использование твердого топлива 38
1.4 Общая характеристика минеральной части углей 44
Выводы по главе. Цель и задачи исследований 47
2. Разработка методики оценки эффективности работы котельной энерготехнологической установки (кэту) на основе эксергетического подхода определения КПД 49
2.1 Химическая эксергия и основные методы ее определения 50
2.2 Эксергетический метод оценки эффективности теплотехнических процессов 56
2.3 Методика и алгоритм расчета эффективности энерготехнологического сжигания топлива в топках энергетических котлов. 68 Выводы по главе 72
3. Методика и программный продукт определения минерального состава конечных золошлаковых продуктов 73
3.1 Исследование преобразований минеральной части топлива в процессе подготовки и сжигания в топках котлов ТЭС 73
3.1.1 Преобразование минеральных соединений твердого топлива в процессе подготовки и сжигания в топках энергетических котлов 73
3.1.2 Влияние температурного и окислительно восстановительного факторов на изменение минеральной части углей в процессе сжигания 79
3.2 Разработка программного комплекса «ASw» для качествен ной и количественной оценки состава золошлаковых продуктов, получаемых в КЭТУ 83
3.2.1 Исходная информация для формирования программ ного комплекса и расчетных исследований минерального состава золошлаковых продуктов при сжигании углей 83
3.2.2 Результаты анализа и определение рационального состава продуктов сжигания угля 87
3.2.3 Работа программного комплекса «AS» 91
3.3 Оценка химической эксергии золошлаковых продуктов 94
Выводы по главе 101
4. Экспериментальные исследования преобразования минеральной части топлива в процессе горения 102
4.1 Описание лабораторной установки и методика проведения эксперимента 102
4.2 Результаты экспериментального исследования
4.3 Опытно-промышленный (пассивный) эксперимент на ТЭС Иркутской области 111
4.4 Результаты промышленного экспериментального исследования 11
4.5 Сопоставление результатов опытных сжиганий углей и программного комплекса «AS и» 119
Выводы по главе 119
5. Расчетные исследования и определение эколого экономической эффективности работы котла в качестве энерготехнологической установки 120
5.1 Содержание расчетного исследования 120
5.2 Пример расчет котла типа БКЗ-320-140 и БКЗ-420-140 121
5.3 Сопоставление и анализ результатов 128
5.4 Возможные области использования золы и шлака ТЭС ОАО «Иркутскэнерго» 128
5.5 Оценка экологической и экономической эффективности по лучения золошлаковых продуктов определенного состава 134
Выводы по главе 135
Заключение 135
Список литературы
- Оценка эффективности работы котельной установки на твердом топливе
- Эксергетический метод оценки эффективности теплотехнических процессов
- Преобразование минеральных соединений твердого топлива в процессе подготовки и сжигания в топках энергетических котлов
- Опытно-промышленный (пассивный) эксперимент на ТЭС Иркутской области
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В России, как и в большинстве крупных экономически развитых стран мира, значительное количество тепловой и электрической энергии вырабатывается на тепловых электрических станциях (ТЭС), сжигающих органическое топливо. Основным топливом для ТЭС восточной части России является уголь.
При сжигании угля в топках энергетических котлов ежегодно образуются десятки миллионов тонн золошлаковых отходов (ЗШО), являющихся серьезным источником загрязнения окружающей среды.
Отвалы золошлаков ТЭС занимают большие площади, а их содержание требует значительных эксплуатационных затрат, которые влияют на повышение себестоимости производства энергоносителей.
Проблема переработки и использования ЗШО актуальна во многих регионах России, и Иркутская область не исключение. На территории области действуют 15 тепловых электроцентралей (ТЭЦ), работающих преимущественно на бурых углях, общее потребление которых составляет более 16 млн тонн в год. При этом в золоотвалы ежегодно поступает около 1,7-2,0 млн тонн золы и шлака, из которых утилизируется не более 2 % отходов. Суммарное количество накопленных ТЭС ОАО «Иркутскэнерго» золошлаков уже составляет более 80 млн тонн, из которых более 70 млн тонн располагается в природоохраняемой зоне озера Байкал.
Основная проблема, с которой приходится сталкиваться при использовании золы и шлака в промышленности, - это нестабильные фракционный состав и физико-химические характеристики, несоответствующие техническим требованиям потребителей. В свою очередь, физико-химические свойства золы и шлака ТЭС формируются в ходе превращений минерального вещества топлива при горении в котельных установках. Изучение изменений, происходящих с минеральным веществом угля в процессе сжигания, представляет собой часть крупной проблемы использования углей и утилизации их очаговых остатков.
Кроме того, экологические проблемы энергетических предприятий можно и нужно рассматривать совместно с решением наиболее часто выполняемых исследований, связанных с оценкой энергетической эффективности технологий, с выявлением резервов энергосбережения, с повышением термодинамической эффективности процессов сжигания угля и т.п.
Решение указанных проблем становится возможным при использовании твердого топлива на основе технологий, предусматривающих комплексную его переработку, то есть на основе энерготехнологий, позволяющих использовать как органическую, так и минеральную (зольную) составляющие части топлива, а котел - в качестве котельной энерготехнологической установки (КЭТУ).
КЭТУ позволяет помимо пара получать золошлаковые продукты необходимого потребителям качества для дальнейшего полезного использования, например, в стройиндустрии для замены природного сырья. Таким образом, балластная (зольная) масса топлива преобразуется в полезное сырье, не прибегая к масштабным изменениям в традиционной схеме производства тепловой энергии на ТЭС.
Повышение экологических, экономических и термодинамических показателей ТЭС, использующих в качестве основного топлива уголь, является важной и актуальной задачей на ближайшую перспективу.
Объектом исследования в настоящей работе являются котельные установки ТЭС, работающие на твердом топливе.
Предметом исследования является технологический процесс преобразования минеральной (зольной) части топлива при его горении в топках энергетических котлов.
Целью работы является повышение эффективности работы ТЭС путем оптимизации работы котельных установок при совместном производстве тепловой энергии и золошлаков определенных характеристик, пригодных для дальнейшего использования.
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:
- теоретическое и экспериментальное исследование влияния физико-
химических процессов сжигания углей на минеральный состав золошлаков
энергетических котлов;
разработка программного обеспечения для моделирования процесса сжигания углей и определения качественного и количественного состава золошлаков;
разработка мероприятий по оптимизации процесса горения, получения необходимого минерального состава золошлаков с учетом их использования в промышленности и народном хозяйстве;
разработка комплексной методики по определению эффективности работы котла в качестве котельной энерготехнологической установки;
экономическое обоснование комбинированного производства тепловой энергии и золошлаковых материалов в котлах ТЭС.
Научная новизна работы:
представлен комплексный подход к повышению эффективности работы ТЭС с учетом полезного использования отходов производства тепловой и электрической энергии;
разработана методика определения минерального состава золошлаковых продуктов и реализована в виде программного комплекса «AS^»;
разработана методика оценки эффективности работы КЭТУ на основе эксергетического подхода определения КПД;
получены результаты экспериментальных и расчетных исследований по выбору оптимальных параметров работы КЭТУ;
предложены рекомендации по выбору оптимальных режимных параметров топочного процесса для формирования определенных характеристик золошлаковых продуктов в топках энергетических котлов ТЭС.
Практическая ценность работы заключается в использовании полученных результатов для оптимизации режимов горения топлива с целью повышения эффективности работы котла за счет совместного производства двух видов продукции: пара и золошлаковых продуктов товарного качества. При этом снижается экологическая нагрузка на окружающую среду, себестоимость теп-
ловой энергии и достигается экономия природных ресурсов в связи с заменой природного сырья в стройиндустрии на золошлаковые материалы.
Рекомендации по оптимизации процесса горения в топках энергетических котлов для совместного получения пара, золы и шлака определенных характеристик использованы на ТЭЦ-6 ОАО «Иркутскэнерго», что подтверждено актом внедрения.
Результаты исследований диссертационной работы внедрены в образовательный процесс подготовки инженеров по специальностям 140101 «Тепловые электрические станции» и 140104 «Промышленная теплоэнергетика» ГОУ ВПО Иркутского государственного технического университета (ИрГТУ) при чтении лекций, проведении лабораторных и практических занятий по дисциплинам «Основы теории горения топлив», «Котельные установки и парогенераторы», «Основы промышленной экологии» и «Теплоэнергетические системы и энергобалансы промышленных предприятий».
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
комплексный подход к повышению эффективности работы ТЭС за счет полезного использования отходов производства тепловой и электрической энергии;
методика оценки эффективности работы КЭТУ на основе эксергетического подхода определения КПД. Реализация методики расчета на котлах типа БКЗ-320-140 и БКЗ-420-140;
результаты экспериментальных и расчетных исследований по выбору оптимальных параметров работы КЭТУ;
учебный программный комплекс «AStt» по определению качественно-количественного состава золошлаковых продуктов;
- результаты эколого-экономической оценки совместного производства
тепловой энергии и золошлаковых продуктов на ТЭС. Снижение себестоимости
тепловой энергии за счет реализации продукции на основе золошлаков.
Достоверность результатов и выводов обеспечивается применением фундаментальных законов термодинамики, химической кинетики и достижений прикладных научных дисциплин, сопряженных с предметом исследования, а также исследованиями, представленными в известных работах других авторов и сопоставлением результатов расчета с опытными данными разных авторов.
Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач исследования, разработке основных положений научной новизны и практической значимости, подготовке и непосредственном проведении лабораторных экспериментов по определению влияния температуры на преобразования минеральных соединений твердого топлива. Автором разработана методика оценки эффективности КЭТУ на основе эксергетического метода, проведены расчетные исследования режимов работы КЭТУ и выполнен анализ полученных результатов исследования. Все исследования по теме диссертации выполнены лично автором под руководством научного руководителя.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (Иркутск, ИрГТУ, апрель 2007-2010 гг.); на конференции по теме «Использование золошлаковых материалов (ЗШМ) ТЭС ОАО «Иркутскэнерго» в качестве повторно возобновляемых ресурсов в Иркутской области» (Ангарск, ноябрь 2007 г.); на круглом столе по теме: «Инновационные технологии для снижения себестоимости жилья» (Иркутск, «Сибэкспоцентр», апрель 2009 г.); на VI Всероссийском семинаре кафедр ВУЗов по теплофизике и теплоэнергетике (Красноярск, СФУ, май 2009 г.); на VII Всероссийской конференции с международным участием «Горение твердого топлива» (Новосибирск, ноябрь 2009 г.); на Всероссийской научно-практической конференции «Инженерное оборудование населенных мест и зданий» (Иркутск, ИрГТУ, март 2010 г.); на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (Томск, ТПУ, июнь 2010 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 13 статей в сборниках материалов конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 3 приложений. Общий объем работы составляет 173 страницы машинописного текста, включая 67 рисунков и 34 таблицы. Список литературы включает 125 наименований.
Оценка эффективности работы котельной установки на твердом топливе
Возможность и эффективность применения золошлаковых отходов ТЭС была установлена в начале XX века в работах А.В. Волженского, К.В. Гладких, Ю.С. Бурова. В результате выполненных многочисленных исследований были разработаны теоретические и практические основы для широкого применения золошлаковых отходов в строительной индустрии и создана наукоемкая нормативно-техническая база по их использованию [13].
Золы и топливные шлаки могут применяться в качестве сырьевых компонентов портландцементного клинкера и активных минеральных добавок при производстве портландцемента, а также композиционных зольных и шлаковых цементов. В результате исследований, выполненных в Московском инженерно-строительном институте им. В.В. Куйбышева под руководством А.В. Волженского, предложена технология производства портландцемента и шлакопортландцемента с введением в качестве активной добавки топливных гранулированных шлаков.
Также работы таких ученых как Л.Я. Гольдштейна, И.В. Кравченко, И.Е.Ковалевой, В.К. Козловой, Т.Я. Гальпериной, Е.И. Аллилуевой, В.Е. Каушанского, Г.И. Овчаренко, Л.Г. Плотниковой, В.А. Пьячева, В.М. Уфимцева посвященны применению высококальциевых золошлаковых от-" ходов в качестве компонента сырьевой смеси при производстве клинкера.
В работе [14] В.К. Козловой и СВ. Барсукова предложена технология получения портландцементного клинкера с применением топливных отходов от сжигания углей КАТЭКа. В работе [15] О.И. Будилова вопрос использования золы и шлака от ТЭЦ рассматривается комплексно. Возможность использования дисперсных зол-уноса в качестве алю-мосиликатного компонента щелочных вяжущих была установлена в работах В.Д. Глуховского. Эффективность комплексного использования в строительстве отходов промышленности Республики Хакасия показаны в работах В.М. Селиванова [16].
Основным напрвлением использования золы и шлака при производстве силикатного кирпича показывают Н.В. Усманов и Н.Н. Усманов в работе [17].
На кафедре «Обогащение полезных ископаемых и инженерной экологии» ИрГТУ В.В. Власовой и Н.И. Никольской проводились исследования золошлаковых материалов одной из ТЭС Иркутской области для разработки технологической схемы комплексной переработки шлака и золы-уноса, с целью извлечения оксидов алюминия, кремния и железа.
Вопросами использования ЗШО в Иркутской области более 30 лет занимается Самусева М.Н., это подтверждают ее многочисленные труды [18-21 и др.]. Целиковский Ю.К. в своих работах [22-23] считает, что проблему использования ЗШО необходимо решать на законодательном уровне. При создании российской нормативно-правовой базы вовлечения ЗШО в хозяйственный оборот целесообразно разрабатывать не локальную для отходов, а единую систему стимулирования ресурсосбережения, в рамках которой должны быть отражены и аспекты стимулирования использования отходов, в том числе и ЗШО, при производстве тех или иных видов продукции, в строительстве, сельском хозяйстве и т.д.
При решении проблемы использования ЗШО в России достигается двойной эффект: во-первых, энерго- и ресурсосбережение и, во-вторых, повышение качества окружающей среды.
Конечно, когда мы говорим о золошлаковых отходов как о материалах применяемые в строительной индустрии, то необходимо учитывать требования санитарии, включая радиологический аспект. К примеру, содержание естественных радионуклидов в легких фракциях золы-уноса (зольных микросферах) ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» значительно ниже предельно допустимых значений для материалов 1 класса по радиационному качеству, равных 370 Бк/кг - такие материалы могут использоваться в строительстве жилых и общественных зданий без каких-либо ограничений [21].
В прежние годы в нашей стране вопросами утилизации золошлаковых материалов занимались свыше 400 научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций. Ими было разработано около 300 различных технологий переработки золошлакоотходов ТЭС по 23 направлениям, соответствующим мировому уровню, но, как правило, только малая часть имеет практическую реализацию.
При использовании золошлаковых материалов необходимо учитывать масштабы их образования и возможные области применения.
Если рассматривать возможности применения золы и шлаков в фар-моцевтике, или в производстве катализаторов, всевозможных наполнителях фильтров, то это очень малые, незначительные объемы использования - малотоннажные производства [17]. Применение золы и шлака в других областях, например для извлечения ценных металлов, получения алюминия и его соединений, не решает проблему использования, а порождает новые трудности, обусловленные появлением отходов глубокой переработки золошлаков ТЭС.
Если рассматривать возможности применения золы-уноса и шлаков в стройиндустрии (при производстве строительных материалов и изделий), то это соизмеримые показатели с масштабами их образования, так как это уже крупнотоннажное производство [17]. Причем анализ накопленных результатов исследований и практический опыт использования золы и шлака в нашей стране подтверждают технологическую целесообразность более широкого применения ЗШО ТЭЦ, как в строительстве, так и в строительной индустрии.
Однако, несмотря на изученность проблемы, основная проблема, с которой приходится сталкиваться при использовании золы в промышленности, - это нестабильные фракционный состав и физико-химические харак теристики, несоответствующие техническим требованиям, формируются в ходе превращений минеральной части топлива при горении в топках энергетических котлов.
На ТЭЦ ОАО «Иркутскэнерго» применяются котельные агрегаты представленные в табл. 1.1, также даны типы золоулавливающих установок, действующих на станциях, системы пылеприготовления и данные по сжигаемому топливу на ТЭЦ (по данным 2007г.).
Использование ЗШО поможет решить экологическую проблему, так как золошлаки по объему их образования и выхода занимают одно из первых мест среди отходов производства тепловой энергии.
Автором в работе [24] применяется понятие «ТЭС с предельными экологическими показателями» (или «безотходная ТЭС»), под которым можно понимать электростанцию, которая наряду с выработанными электрической и тепловой энергией из 100 % отходов производства вырабатывает товарные продукты (вторичные ресурсы). Тем самым снижается экологическая нагрузка на окружающую среду. Но при работе такой ТЭС возникает противоречие второму закону термодинамики, поскольку предполагается, что все технологические процессы сопровождаются получением вторичных ресурсов вместо отходов. Как нельзя всю подведенную в цикле двигателя теплую энергию превратить в работу, так нельзя и первичные энергоресурсы полностью перевести во вторичные без экологических последствий. Поэтому такая ТЭС также невозможна. Но история развития теплоэнергетики была связана со стремлением приблизиться к безотходной ТЭС.
В настоящее время наибольший интерес с экологической точки зрения представляют ТЭС с минимальным негативным воздействием на окружающую природную среду, которые егце можно назвать ТЭС с высокими экологическими показателями. На такой электростанции максимально реализуются технологические процессы, препятствующие образованию вредных газообразных, жидких, твердых и тепловых отходов, сточные воды используются повторно и многократно в замкнутых циклах, твердые отходы получаются в товарном виде или в виде сырья для смежных производств. Уходящие газы и неиспользованные стоки подвергаются глубокой очистке. Оставшееся ограниченное количество твердых отходов поступает на длительное безопасное хранение.
Программы строительства таких электростанций реализуются в индустриально развитых странах Западной Европы, США и Японии. Например, в Германии такие ТЭС получили название «ТЭС, благоприятные для окружающей среды» (Umweltfreundliche Warmekraftwerke) [4].
Как отмечает автор работы [4] наметившаяся в последнее время в теплоэнергетике тенденция к созданию на базе ТЭС крупных энерготехнологических комплексов является, движением по направлению к малоотходным ТЭС или ТЭС с минимальным негативным воздействием на окружающую среду.
Эксергетический метод оценки эффективности теплотехнических процессов
Однако, отсутствие некоторых необходимых термодинамических констант при расчете химической эксергии приводит к некоторым затруднения, что также не совсем удобно в рассматриваемом контексте диссертационной работы.
Методика определения химической энергии и эксергии веществ, по мнению авторов данной работы, является наиболее универсальной, понятной и обоснованной — это методика, разработанная B.C. Степановым совместно с И.Х. Озолингом [50]. Включение гидросферы в состав окружающей среды позволяет подобрать вещества отсчета и определить значения химической энергии и эксергии для всех практически значимых элементов Периодической системы Д.И. Менделеева. При этом для расчетов указанных характеристик были привлечены не используемые другими авторами термодинамические константы: изменение энтальпии и энтропии при образовании водных растворов, энтальпии и энергии Гиббса образования вещества и ионов в водных растворах, а также стандартные электродные потенциалы. Перечисленные характеристики можно найти в справочной литературе, например [77-79].
Располагая данными по стандартной теплоте АН и стандартной энергии Гиббса образования вещества z — AG, а также значениями изменений энтальпии (АН ). и свободной энтальпии (AGp). при образовании бесконечно разбавленного раствора его в воде, можно определить химическую энергию і и эксергию е /-го элемента, входящего в это соединение, по выражениям: где /, к — индексы соответственно дополнительного и результирующего веществ отсчета в реакции обесценивания.
Для этой же цели могут быть использованы имеющиеся в справочной литературе данные по энтальпии и энергии Гиббса образования веществ в водном растворе. Приняв бесконечно разбавленные растворы веществ в воде за уровень отсчета, авторы [50] считают, что химическая энергия и эксергия их равны нулю. Это позволяет на основе закона сохранения энергии записать следующие равенства: Zmji0j=-(AHz)eod; (2.10) Zmtf =-(AG!)eod, (2.11) где [АН"}вод и \AG)вод — соответственно энтальпия и энергия Гиббса образования вещества z в водном растворе; i, е= — соответственно химическая энергия и эксергияу -го элемента, входящего в состав вещества z; т .— количество (масса) у-го элемента в молях. Данные соотношения позволяют определить химическую энергию и эксергию элементов, если эти характеристики известны для других входящих в рассматриваемое соединение элементов.
Также значения химической энергии и эксергии элементов могут быть определены с использованием значений электродных потенциалов элементов в водных растворах или получаемых на их основе значений энтальпии и энергии Гиббса образования ионов в водном растворе [50].
Вычисление химической энергии и эксергии элементов и простых веществ для чистых химических соединений, а также для сложных веществ (смесей) заданного состава и структуры возможно лишь при условии, что удельные значения химической энергии и эксергии всех элементов каким-то образом ранее установлены.
Тогда расчетные формулы для определения химической энергии и эксергии любого соединения z имеют вид: iz= mjij+AH ; (2.12) ez =Zmje0j + AG, (2.13) где іj we0:- химическая энергия и эксергия j-ro элемента (простого вещества) входящего в состав вещества z; т - количество (масса) j-ro элемента в молях; АН — стандартная теплота образования, то есть изменение энтальпии при реакции образования вещества z из простых веществ в. стандартном состоянии; AG — стандартная свободная энтальпия (энергия Гиббса) образования, то есть изменение изобарного потенциала при реакции образования вещества z из простых веществ в стандартном состоянии. При вычислении значений химической энергии и эксергии сложных веществ их можно рассматривать как механические смеси; тогда зная удельные значения химической энергии и эксергии соединений (элементов), входящих в состав рассматриваемого вещества, можно рассчитать аналогичные характеристики для последнего по формулам [50]: ІтЬ=Т.У=І=і С2"14) где v. - доля z-ro химического соединения (элемента) в единице рассматриваемого вещества; /. и е. - соответственно удельная химическая энергия и эксергия z-ro соединения (элемента).
Таким образом, в качестве приоритетной методики определения химической эксергии для разработки методики оценки эффективности энерготехнологической переработки топлива в КЭТУ выбираем методику д-ра техн. наук, проф. ИрГТУ В.С.Степанова по следующим основным причинам: более низкий уровень отсчета химической энергии и эксергии элементов, что ведет к более высокому значению указанных характеристик по сравнению с другими методиками; для расчета химической энергии и эксергии элементов можно использовать несколько различных термодинамических констант и осуществлять их согласование и перепроверку; предлагаемые формулы расчета химической энергии и эксергии соединений (элементов), сложных веществ понятны и удобны в использовании; в соответствии с разработанной методикой ее автором были рассчитаны значения химической энергии и эксергии веществ, часто встречающихся в производственных процессах, сведены в таблицы и представлены в [50,80].
Для выбора подходящей методики оценки эффективности работы КЭТУ, на основе эксергетического КПД, необходимо рассмотреть существующие методики эксергетической оценки применяемые при теплотехнических процессах.
Основная цель эксергетического анализа систем заключается в оптимизации тех или иных параметров для того, чтобы получить наибольшую возможную термодинамическую эффективность системы, то есть максимальный эксергетический КПД [40].
В общем случае эксергетический КПД рассчитывают по соотношению [40,63]
где "ЕЕ"- сумма потоков эксергии, которые определяют полезный эффект рассматриваемой системы (аппарата); ЪЕ — эксергетические затраты (потери), направленные на достижение необходимого эффекта (получение пара определенных параметров и ЗШМ определенного состава).
Эксергетический КПД т/ех имеет обобщенный характер. Конкретное выражение этого показателя зависит от особенностей анализируемого процесса, его назначения и видов энергетических потоков в нем.
Все количественные и качественные отличия используемых на практике выражений для расчета КПД определяются теми параметрами, которые выбирают в качестве величин, входящих в числитель и знаменатель выражения для расчета КПД.
Преобразование минеральных соединений твердого топлива в процессе подготовки и сжигания в топках энергетических котлов
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.
В результате температурных преобразований происходит изменение исходного состава минеральной части угля в котельной установке, при этом образуются такие соединения, как кварц (Si02) и его модификации, муллит (Al6Si20i3), форстерит (Mg2Si04), периклаз (MgO), силикаты кальция типа алита (CaaSiOs) и лейцит (КА18і20б). Эти минералы устойчиво существуют в пределах температур, характерных для топочных процессов. Так же в золах могут присутствовать промежуточные минеральные соединения, как продукты неполного сгорания топлива, например энстатит (FeSi03) и анортит (CaAl2Si2Og) не характерные для высоких температур топочных камер. Поэтому в золах ТЭС наличие таких образований может быть вызвано несовершенством организации процесса сжигания.
Кардинально меняет картину минеральных превращений окислительно-восстановительный фактор [38]. Особенно ярко это отражают превращения железосодержащих минералов. При недостатке кислорода (а=0,8) преобразование этих минералов идет наиболее сложным путем (рисунок).
Для азейского угля характерна следующая схема: железосодержащие минералы угля (пирит (FeS2), сидерит (FeC03)), разлагаясь, синтезируют энстатит (FeSiOa) и фаялит (Fe2SiC4). При температуре более 900С, они исчезают и появляется более устойчивая шпинель - (FeAl204) — герцинит.
Для ирша-бородинского угля характерно наличие промежуточного ферросиллита (Fe2Si2Oe) - температура 1200-1400С. Аналогично проходят процессы при теоретически необходимом количестве окислителя (а=1).
При теоретическом (стехиометрическом) количестве окислителя (а=1) железосодержащие соединения каждого из исследуемых углей окис ляются более или менее полно: в наименьшей степени минералы железа ирша-бородинского угля; в большей - азейского, образуя при температуре более 1200С магнетит (РезО,}), наличие которого характерно для топочного режима при а 1.
С дальнейшим повышением избытка воздуха (а=1,4), превращения соединений железа идут по следующей схеме: 800С 1300 С FeS2 + FeC03 - Fe203 - Fe304. пирит сидерит гематит магнетит Из реакции видно, что при температурах более 1300С гематит (БегОз) восстанавливается до магнетита Fe304 (FeOFe203) на фоне окисления газовой фазы. В системе с фиксированным, хотя и достаточным количеством окислителя, с увеличением температуры процесса растет интенсивность окисления газовой фазы, уменьшается количество свободного кислорода и происходит восстановление железа в твердой фазе. Наиболее простой путь к равновесию у калъцийсодерэюащих минералов, за исключением высококальциевого ирша-бородинского угля. Это, как правило, следующая схема [38]: 500-800С 1100 С СаС03+ иллиты - CaAl2Si208 - Ca3Si05. кальцит анортит стекло алитового состава
Для ирша-бородинского угля, алит (Ca3Si05) появляется уже при температуре выше 800С и достигает максимальных содержаний при 1100С. С этой температуры, очевидно, начинается его стабилизация как стекла. При температурах 800-900С для этого угля наблюдается появление диопсидов CaMgSi06 и CaFeSi206, что обуславливает некоторое снижение содержания алита.
С повышением температурного уровня в топке (при жидком шлакоуда-лении) увеличивается связывание оксида кальция другими компонентами золы в наиболее сложные соединения.
Полнота связывания оксида кальция (СаО) в более сложные соединения не всегда определяется лишь температурным уровнем в топке, иногда определяющими являются стехиометрические соотношения между оксидом кальция и другими минералами в неорганической части топлива и коэффициент шлакоулавливания в топке. Это происходит, как правило, при сжигании топлива с очень высоким содержанием оксида кальция в золе.
Что касается магнийсодержащих минералов, то их превращения идут по двум параллельным схемам. Первая - это превращение энстатита (MgSiCb) при температуре более 800С в форстерит (MgSiC 4) и далее при температуре более 1100С образование клиноэнстатита (MgSi03), исчезающего при повышении температуры выше 1300С. Эта схема наиболее неустойчивая и характерна для процесса с недостатком окислителя. Основной же путь преобразования магнийсодержащих компонентов: 1400C 1500 С Mg2Al4Si5018 - Mg2Si04 -» MgO. кордиерит форстерит периклаз Превращения соединений алюминия также проходят двумя путями, которые определяются содержанием алюминия в угле, однако, завершаются образованием муллита (АІбБігОіз): для ирша-бороданского угля, характеризующегося относительно невысоким содержанием алюминия в золе, муллит (AlgSbOn), образуется непосредственно после разложения кордиерита (Mg2Al4Si50i8); для азейского угля муллит образуется в результате преобразовании андалузита (Al2Si05) и силлиманита (Al2Si05), их количество не значительно. Примечательно, что в аналитических данных о минеральном составе зол [38], упоминания об андалузите встречаются довольно редко и речь, обычно, идет о силлиманите. Это, по-видимому, связано с затруднительной их идентификацией. При температуре выше 1400С содержание муллита несколько увеличивается за счет разложения кордиерита и нефелинового (NaAlSiC 4) и лейцитового (КА1 Si 1206) стекол.
Источником калия и натрия в минеральной части углей являются, главным образом, органическое вещество, иллиты, а также КС1 и NaCl в засоленных углях [91].
При температурах до 800С, натрийсодержащие иллиты обезвоживаются и, разрушая свою структуру, переходят в альбит (NaAlSi03Og) и диопсиды (NaFeSi206), (NaAlSi2Ofi). Последние существуют до температуры около 1000С, образуя затем стеклофазу нефелинового состава (NaAlSiC 4), которая с испарением натрия, образует муллит при температуре выше 1400С.
Калийсодержащие иллиты, разлагаясь, образуют санидин (KAlSlsOg), который, в свою очередь, при температуре более 1100С переходит в лейцитовое стекло (КА18і2Об), исчезающее при 1500С, в связи с испарением калия.
Испаряясь при высоких температурах, калий и натрий в значительной степени влияют на формирование газовой фазы. Процессы преобразования калий- и натрийсодержащих минералов довольно однообразны для исследованных углей и качественно не зависят от количества окислителя. Эти минералы, по-видимому, являются одним из основных источников появления стеклофазы.
При сжигании топлив с высоким содержанием щелочных металлов {Na20, К2О) большое значение имеет проблема их улетучивания в топочном процессе. Интенсивность и полнота улетучивания щелочных металлов зависят как от химико-минералогического состава неорганического вещества топлива, так и от параметров топочного процесса.
Улетучивание щелочных металлов происходит преимущественно в активной (высокотемпературной) зоне горения топлива. Но возможно улетучивание щелочей и со шлаковых пленок на экранных трубах [91].
Интенсивность улетучивания щелочных металлов из топлива в значи тельной мере определяется так же не только температурой, но и составом окружающей частицы топлива среды. Особенно сильно улетучивание щелочей происходит в восстановительной среде.
Содержание кварца (S1O2) слабо изменяется с изменением количества окислителя и связано лишь с содержанием кварца в углях и влиянием кремнийсодержащих компонентов минеральной части. Температурное поведение кварца достаточно хорошо изучено и сводится лишь к изменению его модификаций. В совокупности со всей минеральной частью, кварц принимает на себя кремний после разложения одних соединений и отдавая его на образование других.
Опытно-промышленный (пассивный) эксперимент на ТЭС Иркутской области
Отбор проб топлива, золы-уноса и шлака были проведены в соответствии с рекомендациями [46] во время опытного сжигания смеси Ирбей-ского и Ирша-бородинского бурых углей на ТЭЦ-6 ОАО «Иркутскэнерго».
ТЭЦ-6 ОАО «Иркутскэнерго» расположена в г. Братске Иркутской области на территории ОАО «Братсккомплексхолдинг». ТЭЦ-6 спроектирована как составная часть Братского лесопромышленного комплекса (БЛПК) и осуществляет энергоснабжение промышленных предприятий и теплоснабжение г. Братска.
В состав основного оборудования котельного отделения входят 10 котлоагрегатов БКЗ-320-140 производства Барнаульского котельного завода паропроизводительностью 320 т/ч каждый, с параметрами пара Р0=13,7 МПа и to=570C.
В качестве основного (проектного) топлива сжигается бурый уголь Ирша-Бородинского месторождения Канско-Ачинского бассейна (КАБ). В последние годы проводятся опытные сжигания углей других месторождений (Ирбейского, Переясловского, Жеронского) с целью использования их в качестве резервных.
Пробы угля, золы-уноса и шлака были предоставлены сотрудниками Инженерного цента ОАО «Иркутскэнерго».
Отбор проб топлива, летучей золы и шлака на ТЭЦ осуществлялись (проводились) в соответствии с рекомендациями [46] суть которых заключается в следующем.
Отбор проб тонкоразмолотого твердого топлива (топливной пыли) и летучей золы осуществляется в соответствии с рекомендациями [46] либо из аэропотока, либо из движущегося слоя пыли (золы) с обязательным обеспечением представительности отбора.
Отбор проб из аэропотока основан на отведении от него небольшой части запыленных газов с улавливанием из них частиц топлива (золы) и обеспечением идентичности концентраций и дисперсного состава пыли (золы) в отводимом потоке основному. Основные требования к выбору места отбора: в сечении отбора основной поток должен находиться в установившемся состоянии, т.е. отбор должен выполняться не ранее чем через 40-50 мин после установления (изменения) режима работы пылепригото-вительного оборудования (пылезолоулавливающей установки), участок до расположения сечения отбора должен иметь длину не менее пяти диаметров канала (для прямоугольных каналов - не менее пяти эквивалентных диаметров) и не менее трех диаметров после этого сечения, вдали от местных сопротивлений (шиберов, сужений и т.п.) и мест, где вследствие, например, присосов (у неплотных люков и т.п.) возможно искажение равномерности потока, появление возвратных токов, вихрей (вблизи дымососов и пр.). Желательно, чтобы сечение отбора попадало на вертикальные, а не на горизонтальные участки каналов, где возможно неравномерное распределение частиц с концентрацией наиболее крупных и тяжелых из них в нижней части сечения под действием сил гравитации. Для выравнивания аэропотока перед сечением отбора могут быть применены различного рода приспособления, позволяющие искусственно удлинить мерный участок и выровнять поток.
Массу объединенных проб из аэропотока рассчитывают исходя из необходимости отбора не менее 20-30 г пыли (золы уноса) на 1 т размалываемого (сжигаемого) топлива или на 1 т летучей золы для котлов паро-производительностью до 600 т/ч и не менее 10-20 г/т для более крупных котлов. Для обеспечения представительного отбора проб из аэропотоков применяют, главным образом, трубки нулевого типа, позволяющие отбирать среднюю пробу по всему сечению отбора с обеспечением его изоки-нетичности, т.е. равенства скоростей в точке отбора основного и отводимого потоков. К числу таких трубок относятся широко распространенные трубки ВТИ и Альнера с диаметром входного отверстия 20 мм, с мерным участком или без него.
Эти трубки имеют внешнюю (вне трубки) фильтрацию улавливаемой пыли (золы) в циклонах (рис.4.14). Трубки с внутренней фильтрацией (изокинетический зонд конструкции Южтехэыерго, трубка НИИОгаз и др.) имеют фильтр-мешки в кожухе трубки, располагаемом внутри пылевозду 112 хопровода (газохода), т.е. в зоне постоянного обогрева, и тем самым не подвергаются конденсации влаги на фильтрующих элементах (температура точки росы более 200С). Трубки с внутренней фильтрацией требуют более высокой точности изготовления, чем трубки Альнера, промышленностью не выпускаются, что пока ограничивает их распространение. Использование трубок нулевого типа позволяет при условии изокинетичности отбирать и определять запыленность потоков с частицами от 10 до 20 мкм и выше практически во всем диапазоне нагрузок котлов.
Кроме трубок нулевого типа могут быть применены скоростные трубки. При этом чтобы скорость в заборном канале трубки была равна скорости в выбранной точке сечения отбора, необходимо либо вести измерение динамического давления в точке забора во время отсоса, либо принимать его значения по данным предварительной тарировки сечения пы-левоздухопровода с подсчетом скорости аэросмеси в данной точке забора и установкой соответствующей скорости в заборном канале трубки путем подбора диаметра насадки к ней и регулировки отсоса. Кроме того для каждой точки отсоса при этом требуется измерить и подсчитать запыленность потока. Из-за трудоемкости расчетов предпочтительно применение трубок нулевого типа.
Для получения данных о средней пробе пыли (золы) проводят предварительную тарировку сечения отбора с использованием трубок ВТИ, дающих возможность отбора проб отбора проб непосредственно у стенок пы-левоздухопровода, что особенно важно при малых их диаметрах (меньше 300 мм). С этой целью в цилиндрическом пылевоздухопроводе вырезают три отверстия в близких сечениях и приваривают на этих местах кольца с резьбой для установки двух рабочих трубок с углом между ними 90 и одной контрольной трубки. Расстояние между сечениями для установки колец определяют наименьшим по условию исключения столкновения рабочих и контрольной трубок. Тарировку ведут в следующей последовательности: рабочие трубки последовательно устанавливают в первые намеченные точки равновеликих сечений и из них проводят отбор в течение точно заданного времени (5-7 мин) с отсчетом по секундомеру. Установку трубок проводят по рейке с нанесенными на ней делениями, соответствующими центрам сечений, в которых будут устанавливаться пылеотборные трубки. Одновременно пыль отбирают также контрольной трубкой. Затем сразу отключают все трубки, выбирают и складывают в отдельные банки (по числу точек отбора) вместимостью по 0,5-0,7 кг пыль из циклонов, в том числе из фильтров (путем очистки их щеткой и обстукивания стенок циклона), пробы взвешивают и подают на просевку. Далее цикл повторяют с отбором пыли из намеченных точек соседнего равновеликого сечения и т. д. при прямом и обратном ходе.
