Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Шлакующие и загрязняющие свойства углей и угольных смесей (аналитический обзор) 9
1.1. Общие положения и терминология 9
1.2. Характеристики и механизм образования отложений 12
1.2.1. Прочные селективно обогащенные отложения 12
1.2.2. Шлаковые отложения и загрязнения на базе активных щелочей 16
1.3. Шлакующие свойства смесей 22
ГЛАВА 2. Объем и методы исследований 26
2.1. Перечень исследованных углей и характеристика режимов их сжигания 26
2.2. Методика измерений шлакующих свойств углей на огневом стенде УралВТИ 31
ГЛАВА 3. Огневой стенд уралвти, обоснование конструкции и достоверности результатов 39
3.1. Обзор известных экспериментальных установок 39
3.2. Описание конструкции огневого стенда УралВТИ 46
3.3. Обоснование конструкции, режимов работы огневого стенда УралВТИ и достоверности полученных результатов 52
ГЛАВА 4. Характеристики шлаковых отложений отдельных партий известных и ранее не исселдованных углей 72
4.1. Изучение на огневом стенде шлакующих свойств канско-ачинских углей
4.2. Изучение шлакующих свойств углей с повышенным содержанием щелочных компонентов (на примере приозерного угля Тургайского бассейна) "
4.2.1. Характеристика минеральной части угля 79
4.2.2. Результаты исследования шлакующих свойств приозерного угля 84
4.3. Свойства шлаковых отложений разных партий экибастузского угля и продуктов его обогащения 90
4.3.1. Характеристика минеральной части 92
4.3.2. Результаты исследований 92
4.4. Характеристика шлаковых отложений традиционных и ранее не исследованных углей 95
4.5. Интенсивность образования и прочность шлаковых отложений при сжигании углей на огневом стенде lvu
ГЛАВА 5. Характеристики шлаковых отложений при сжигании угольных смесей 112
5.1. Взаимодействие частиц летучей золы составляющих смесь углей в факеле ИЗ
5.2. Результаты исследования характеристик шлаковых отложений при сжигании смесей И7
ГЛАВА 6. Уточнение методов прогнозирования шлакующих свойств и рекомендации по применению полученных на стенде результатов 141
6.1. Уточнение метода прогнозирования температуры начала шлакования 141
6.2. Уточнение рекомендаций по выбору допустимой по условиям
шлакования температуры газов на выходе из топки в зависимости от
состава минеральной части 147 6.3. Прогнозирование t угольных смесей 155
6.4. Примеры практического применения полученных на огневом
стенде результатов 155
Выводы 159
Литература
- Прочные селективно обогащенные отложения
- Методика измерений шлакующих свойств углей на огневом стенде УралВТИ
- Описание конструкции огневого стенда УралВТИ
- Результаты исследования шлакующих свойств приозерного угля
Прочные селективно обогащенные отложения
Механизм образования железистых отложений всеми исследователями связывается с процессом налипания крупных, полностью или частично расплавленных частиц, которые имеют необходимую энергию для достижения поверхности, деформации и закрепления. В качестве материала таких частиц рассматривается расплав пирита [9], продукты его неполного окисления [10, 11], в том числе легкоплавкие соединения на основе эвтектики FeO - FeS [12]. В УралВТИ экспериментально обосновано формирование железистых отложений по разным механизмам в зависимости от температурной зоны котла и исходной минеральной части угля, в том числе при участии эвтектик на основе фаз пирротина - вюстита - фаялита, обогащенных оксидами железа силикатных стекол и обогащенных оксидами железа поверхностных плёнок разного состава [7].
Для прогнозирования склонности углей к образованию железистых отложений или шлакующих свойств в целом, с учётом роли обогащенных железистыми компонентами частичек золы, используются сведения о содержании пирита или сульфидной серы [6]. Для анализа используются данные о содержании общей серы [13], о количестве пирита [6] или РегОз в тяжелой фракции [14], о количестве тяжелой фракции [4]. В новых показателях, получаемых при помощи сканирующей электронной микроскопии (CCSEM) учитывается степень ассоциации пирита и глинистых минералов [15].
Сульфатно-кальциевые отложения
С образованием прочных сульфатно-кальциевых отложений в большей мере столкнулись в отечественной практике, в первую очередь при сжигании эстонских сланцев и канско-ачинских углей с высоким содержанием СаО. Исследованиями отложений и механизма их образования занимались в ВТИ, Таллинском, Красноярском и Томском политехнических институтах и в СибВТИ. Специальные исследования по обоснованию механизма образования сульфатно-кальциевых отложений выполнены в УралВТИ [16].
Образование сульфатно-связанных отложений происходит как при сжигании топлива с высоким содержанием кальцита СаС03 (эстонский сланец), так и при вхождении кальция в состав органо-минеральных соединений (берёзовский уголь). В США проблема образования таких отложений до освоения суббитуминозных углей PRB (Powder River Basin) в середине 80х годов не была актуальной [2], несмотря на высокое содержание СаО, порядка 22 - 32 %, в американских и канадских лигнитах. Американские лигниты помимо высокого содержания СаО характеризуются большим количеством щелочей (Na20/K20 = 10 - 49, Na20/CaO = 0,19 - 0,75). Это подтверждает гипотезу о конкурирующих процессах образования сульфатно-кальциевых отложений и загрязнений на базе активных соединений натрия. Для сравнения, отечественные угли, характеризующиеся высоким содержанием компонентов основного состава, имеют Na20/CaO = 0,01 - 0,02.
Известно несколько механизмов образования сульфатно-связанных отложений, объясняющих транспорт частиц к поверхности нагрева, их закрепление и последующее упрочнение за счёт процессов сульфатизации и спекания.
При относительно низких температурах газов, по механизму предложенному в Таллинском политехническом институте [17], происходит преимущественно механическое закрепление мелких частиц и одновременное разрушение отложений более крупными частицами. В [2] приводится, что первичный слой низкотемпературных загрязнений образуется из частиц размером менее 3 мкм, которые транспортируются к поверхностям трубы под действием сил термо - и электродиффузии, аэродинамической диффузии, закрепляются на трубах поверхностей нагрева за счет сил Ван-дер-Ваальса. Формирование кормовых отложений происходит из частиц 8 10 мкм. Транспортируются они к поверхности труб за счет турбулентной диффузии в кормовых вихрях. Скорость роста кормовых отложений примерно в 5 раз выше, чем первичных отложений на лобовой поверхности труб.
Для зоны высоких температур преимущественным считается другой механизм закрепления частиц, заключающийся в образовании расплава на базе сульфатов. Механизм образования отложений за счет расплава эвтектики СаО -CaS предложен Э.П. Диком [4]. В УралВТИ образование эвтектики СаО - CaS с Эвтектики « 860 С из внутренней золы было обосновано экспериментально. Композиция эвтектического состава была обнаружена в обогащенных СаО не сульфатизированных отложениях, отобранных на котлах с помощью зонда [18]. Дополнительно предложена хемосорбционная схема, которая объясняет установленные факты закрепления относительно крупных частиц обогащенных кальцием в отложениях и их распределения по периферии «капель» железистых отложений [7].
Рядом исследователей также предлагается и обосновывается гипотеза закрепления тугоплавких частиц обогащенных кальцием за счёт наличия на их поверхности плёнок расплава. Авторы [3] предположили, что образованию сульфатно-кальциевых отложений способствуют соединения щелочных металлов. Экспериментальная проверка осуществлялась с помощью комбинации метода ионной диффузии и электронной спектроскопии Auger [17]. При этом установлено, что в момент формирования сульфатно-кальциевых отложений на поверхности частиц присутствует пленка эвтектического раСПЛава ИЗ СуЛЬфаТОВ ЩеЛОЧНЫХ КОМПОНеНТОВ С Эвтектики = 717 С. В [16, 19] рассматривается образование обогащенных СаО сульфатизированных отложений за счёт налипания кальциевых силикатов. По [2] налипанию и последующему спеканию способствует также снижение вязкости и изменение поверхностного натяжения расплава при растворении в нём в небольших количествах серы.
Методика измерений шлакующих свойств углей на огневом стенде УралВТИ
Примером зонда новой конструкции, применяемого на огневом стенде УралВТИ, является устройство для измерения прочности шлаковых отложений на разрыв (а4р) при температуре их формирования (рис.2.2) [53]. За рубежом прочностные свойства отложений на стендах оцениваются либо по эффективности работы обдувочных устройств (cleanabilify, очищаемость от отложений) [54], либо, как на стенде Combustion Engineering [14], при помощи механических динамометров (рис.2.3), которые не дают возможности определения разрушающих напряжений. Выполняемые в УралВТИ измерения имеют несомненные преимущества, поскольку позволяют получить не только ранжирующий относительный показатель, но и размерный количественный. Устройство представляет собой разъемный зонд, неподвижная часть которого закреплена в стойке, а подвижная через соединение в виде призмы подсоединена к рычажному динамометру (к весам с перемещаемым относительно опоры грузом). Зонд после формирования отложений в течение 20 минут и их разрушения при перемещении груза на величину 1ра3р (мм) извлекается из газохода и в месте разрыва измеряется ширина (h, мм) и высота (Ь, мм) гребня, отмечается форма отложений. В зависимости от геометрической формы отложений в месте разрыва подсчитывается площадь разрыва (F).
Метод определения прочности отложений (силы сцепления) на огневом стенде Combustion Engineering [14] результатам тарировки зонда. Значение удельной прочности на разрыв подсчитывается по формуле: стр = P/FOTn.
В первых опытах в качестве показателя прочности отложений использовалась относительная оценка по предложенному в ГДР методу [55]. В соответствии с этим методом к зонду с отложениями прикладывалось заданное ударное усилие, и затем определялась доля отвалившихся отложений от общей массы. Заданное усилие создавалось сбрасыванием с определенной высоты (0,1- 0,2 м) шайбы по направляющему стержню. Метод оказался неудачным, так как, при таких измерениях результат в большей, чем в других методах, мере зависит не только от удельной прочности отложений, но и их размеров. В частности, при одинаковом времени выдержки зонда, отложения не разрушались при низких температурах газового потока, в силу своих малых размеров. Подобный результат следует и из анализа условий разрушения отложений при импульсном воздействии.
Темп роста прочности Ла1р/Лд для разных углей существенно отличаются. Для характеристики и сравнения шлакующих свойств углей используется одно из значений зависимости alp = f(0). Удобно в качестве такого показателя принимать значение температуры, при которой достигается определенная прочность отложений d const- На основании исследований на стенде большого количества проб углей в качестве такого показателя принята температура &ю при ст1р = 10 кПа, что в среднем соответствует рекомендуемым в [56] значениям допустимой по условиям шлакования температуре газов на выходе из топки (S т)доп.
Склонность к образованию прочных железистых и сульфатно-кальциевых отложений из-за длительного времени их формирования на стенде экспериментально не изучалась и в работе не рассматривается.
Для проведения последующих лабораторных исследований на стенде отбирались пробы пыли и уноса из циклонных установок, отложения с зондов. В некоторых опытах дополнительно изокинетически отбирались пробы пыли по длине факела, летучая зола в конце измерительного участка стенда, топочный шлак. Как правило, для отобранных проб выполнялся ситовой анализ, определяется недожёг, химический состав летучей золы и золы лабораторного озоления. Химический состав минеральной части изучался при помощи спектрометра VRA-30, показания которого тарировались по результатам измерений состава золо - шлаковых материалов разных углей, полученными стандартным (химическим) методом в УралВТИ и СибВТИ и по стандартным образцам. На установке ДРОН-УМ1 определялся также минералогический состав минеральной части. Для этого использовалась обогащенная минералами тяжелая фракция угольной пыли с плотностью р 1600 г/см , выделенная в четыреххлористом углероде.
Для изучения преобразований минеральной части в процессе сжигания угольной пыли на стенде по сравнению с ее сжиганием в топке котла выполнены специальные исследования агрегатного состояния уноса и степени окисленности в нём железа. Методика их проведения и результаты изложены в разделе, посвященном обоснованию достоверности полученных на стенде результатов (глава 3.3). Для характеристики минеральной части углей также использованы результаты определения водорастворимых соединений натрия по методике ВТИ [34] и ионообменного натрия, кальция в составе органических соединений и кальцитов по методике химического фракционирования УралВТИ [57].
Описание конструкции огневого стенда УралВТИ
При конструировании камеры сгорания в самом начале был учтен не вполне удачный опыт исследований на стендах с опускным движением газов, и стенд УралВТИ был смонтирован с расположением горелки по оси, устанавливаемой в нижней крышке камеры сгорания.
После получения информации о конструкции зарубежных стендов и, в частности Combustion Engineering, камера сгорания стенда УралВТИ по аналогии с ними была доукомплектована тепловоспринимающей панелью (рис.3.4.6). Панель для изучения загрязнения и шлакования смонтирована заподлицо со стенкой камеры на расстоянии 800 мм от среза горелки. Для поддержания температуры стенки панели на уровне 300 - 400 С она охлаждается маслом АМТ - 300 в условиях естественной циркуляции в контуре "панель - охладитель".
Камера сгорания оборудована вихревой горелкой диаметром 100 мм с регулируемым углом поворота лопаток вторичного воздуха и неподвижными лопатками первичного воздуха. В центральный канал первичного воздуха 0 50 мм на период разогрева камеры до стационарного состояния вставляется механическая форсунка для дизельного топлива. Аэродинамика используемой горелки исследовалась ранее на стенде ИФХИМС [81].
В верхней части через выходное окно к камере сгорания примыкает так называемый измерительный, горизонтально расположенный газоход. Он представляет собой два параллельных футерованных огнеупорными кирпичами канала (сечением 200 х 200 мм и 200 х 100 мм и длиной 2850 мм). Наличие двух газоходов с разными сечениями позволяет изучать влияние скорости газов на шлакование и времени пребывания сорбента на эффективность связывания серы. До настоящего времени эти возможности стенда не использовались, и все исследования по шлакованию выполнены в газоходе большого сечения, в котором обеспечивается средняя скорость дымовых газов wr = 7 - 10 м/с. Измерительный газоход оборудован двумя настенными водяными охладителями в виде "петель", что обеспечивает монотонное снижение температуры дымовых газов в интересующем, для изучения шлакования, диапазоне от 1100 - 1200 С до 700 С. На верхней крышке газохода расположено 10 лючков, предназначенных для размещения в опытах измерительных зондов, термопар и зондов для отбора проб летучей золы. На боковой стенке газохода имеются лючки для размещения термозондов или тепломеров. В течение всего периода эксплуатации стенда конструкция горизонтального газохода не изменялась.
Выходящие из измерительного газохода газы поступают в опускной газоход и охлаждаются сначала в трубчатом воздухоподогревателе, а затем в охладителе газов и с температурой 110 - 140 С, через смешивающий короб с помощью дымососа направляются в дымовую трубу. Система золоулавливания двухступенчатая. В качестве первой ступени используются циклоны 0 250 мм с Лцикл 86%. Во второй ступени, для санитарной доочистки установлен рукавный фильтр марки СМЦ 166Б с площадью фильтрующей поверхности 30 м2.
На первом этапе исследований стенд был оборудован шаровой барабанной мельницей 0 600 мм производительностью 50-90 кг/ч, изготовленной по проекту ВТИ и сепаратором 0 825 мм конструкции ЦКТИ. Однако размол бурых углей на шаровой мельнице вместе с установленным сепаратором 0 825 мм не соответствовал размолу бурых углей в промышленных условиях по степени измельчения и коэффициенту полидисперсности. Кроме того, размер сепаратора оказался завышенным, что не позволяло регулировать тонкость помола и в опытах, на первом этапе, пыль была переизмельчена. Замена сепаратора на аналогичный 0 625 мм позволила регулировать тонину помола в диапазоне R o = 20-50 %. При реконструкции стенда была проведена замена шаровой барабанной мельницы на бильную, а позже на среднеходную валковую производительностью до 100 кг/ч.
Для оценки расхода, подаваемой в горелку пыли, используется весоизмерительная установка на базе тензодатчиков. Расход определяется по количеству пыли в расходном бункере, которое оценивается по показаниям цифрового индикатора деформации, проградуированного в единицах веса пыли в расходном бункере.
Стенд оснащен необходимыми средствами измерений, показания которых выведены на щит КИП. Конструкция узлов стенда такова, что предполагает быструю их замену, в случае необходимости, на новые. Помимо изучения шлакующих свойств, размола и выгорания топлива, на огневом стенде также выполнялся большой объем работ по отработке различных технологий сероочистки дымовых газов [82]. Для проведения этих работ стенд дооснащался реакторами систем сероулавливания разных конструкций, дополнительными газоходами и механизмами (на рисунках не показаны).
Принципиальным вопросом при создании огневого стенда УралВТИ был выбор его мощности (расхода топлива) и, соответственно, размеров камеры сгорания. Известно [58], что при уменьшении геометрических размеров камеры сгорания нельзя точно выдержать критерии подобия, используемые при огневом моделировании. С ростом масштаба (мощности) стенда протекающие в камере сгорания процессы и определяющие факторы лучше соответствуют имеющим место в топках энергетических котлов, но, при этом, возрастает стоимость стенда и усложняется его обслуживание, что, как упоминалось, ведет к потере его основных преимуществ, а именно, возможности проведения исследований с относительно небольшими партиями топлива.
Результаты исследования шлакующих свойств приозерного угля
Установлено, что для области с высоким содержанием компонентов основного состава ко кокр и высоким соотношением щелочных и щелочноземельных компонентов в приозерном угле, зависимости температуры начала шлакования от состава золы приозерного угля и углей Канко-Ачинского бассейна принципиально отличаются. Так, если для канско-ачинских углей с ростом компонентов основного состава значение tm„ возрастает, то для приозерного угля при снижении ко = IX/ZO значение tmn уменьшается. Такое снижение tmn при повышенном содержании щелочных компонентов измерено и в других сериях опытов, что дополнительно анализируется в главе 6.
За пределами обобщаемого в работе материала, отметим установленную в опытах на котлах высокую склонность приозёрного угля к образованию прочных железистых отложений. На это указывало, как наличие железистых отложений на поверхностях нагрева, так и их легкое воспроизведение в кратковременных опытах на зондах даже при высоких избытках воздуха (а 1,4).
Несмотря на то, что экибастузский уголь является наименее шлакующим из известных углей, тем не менее, его сжигание в котлах с высокими значениями тепловых напряжений топки и температуры газов на выходе из топки (Эт") иногда сопровождается серьезными трудностями, связанными со шлакованием. Шлакование обусловлено как недостатками конструкции котельных агрегатов (например, шлакование поворотного газохода котла П-57), так и вызывается неоптимальными режимными параметрами (низкие избытки воздуха, крайне неравномерное распределение топлива). Анализ шлакования котлов ПК-39, сжигающих экибастузский уголь показал, что в ряде случаев оно усугублялось из-за поступления топлива с более высокими шлакующими свойствами [94, 95]. Поставки экибастузского угля разной зольности, с разных пластов и угледобывающих предприятий, эксперименты и планы по обогащению экибастузского угля для улучшения его экологических характеристик обусловили проведение серии исследований шлакующих свойств разных партий угля и продуктов его обогащения при сжигании на огневом стенде.
Один из сценариев программы создания экологически чистых ТЭС на экибастузском угле предусматривал обогащение экибастузского угля. Предполагалось сжигание продуктов обогащения на существующем оборудовании, а высокозольных отходов - на новом, специально созданном оборудовании. Для действующего оборудования такой сценарий сохраняет свою актуальность и в настоящее время, хотя, как известно, экибастузский уголь плохо обогащается. При обогащении выделяется внешняя зола и концентрат может иметь иные шлакующие свойства по сравнению с исходным топливом. На огневом стенде проведено исследование шлакующих свойств продуктов обогащения: концентрата с Ad = 24,4 и 31,5 % и промпродукта с Ad = 48 %. Уголь обогащался по технологии и на оборудовании ИОТТ. Для сравнения и ответа на вопрос о влиянии на шлакующие свойства зольности выполнены опыты при сжигании экибастузского угля разной зольности в диапазоне Ad = 39 + 51 %.
В последнее время наблюдались случаи шлакования котлов Рефтинской ГРЭС. Усиление шлакования специалисты Свердловэнерго связывают с поступлением на станцию в небольших количествах более шлакующих непроектных топлив, таких как нефтяной кокс, богословский уголь. Однако, по нашему мнению, не все случаи объяснимы этими факторами, и шлакование может вызывать изменение шлакующих свойств экибастузского угля в связи с вовлечением в топливный баланс угля разреза Северный. На этом разрезе разрабатывается пласт 2 с нестабильным составом минеральной части по сравнению с пластом 3 разрезов Богатырь и Восточный. Для экспериментальной проверки этого предположения на огневом стенде УралВТИ выполнено опытное сжигание экибастузского угля, поставленного с ТЭС АО "Свердловэнерго".
Характеристика минеральной части золы, используемых на огневом стенде партий экибастузского угля, приведена в табл. 4.3. Показано, что химический состав золы исследованных партий угля, в том числе концентрата и промпродукта, отличаются незначительно. Исключение составляет опытная партия с ТЭС АО "Свердловэнерго", которая обогащена компонентами основного состава, так что ZK/ЦО = 16,2 против характерного ZK/EO 25. Другое отличие химического состава изученных проб топлива в содержании БегОз, количество которого в концентрате с Ad = 24 % в 3 раза, а концентрате с Ad = 31 % и промпродукте с Ad = 48 % в 2 раза больше, чем в рядовом экибастузском угле.
Заметим, что из-за высокой зольности экибастузского угля на неохлаждаемой поверхности зонда при температурах ниже начала шлакования более интенсивно, чем при сжигании углей с низкой зольностью, формируется слой тонких сыпучих отложений, что затрудняет определение граничных условий tnin. В этой связи условия начала шлакования в экспериментах на стенде определяли путем интерполяции зависимости g = f(t3) и за ЭфШ принимали значение при g = 0.
Исследованиями установлено, что для разных партий экибастузского угля и продуктов его обогащения температурные условия начала шлакования монотонно зависят от химического состава золы (рис.4.9) и лежат в диапазоне Эфш = 1090 - 1160 С (U = 1115 - 1190 С). Со снижением зольности (продукты обогащения) температура начала шлакования уменьшается (снижается отношение LK/ZO) однако значения ЭфШ (tnm)
Похожие диссертации на Прогнозирование свойств шлаковых отложений углей и угольных смесей по результатам исследований на огневом стенде
