Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Основными источниками получения тепла и электричества в большинстве стран мира (за исключением стран Персидского зачива, Туркменистана и частично Узбекистана) является сжигание твердых горючих ископаемых, называемых также твердыми топливами. К ним относятся: торф, бурый и каменный уголь, антрацит, а также горючие сланцы.
В твердых горючих ископаемых обнаружены, практически, все элементы Периодической системы. Содержание их весьма различно: углерода около 50% , кислорода 5-6% , азота около 1% и для кремния, алюминия, железа, кальция, магния, иногда натрия и калия более 0,5%. Концентрация большинства элементов, называемых малыми или микроэлементами, (за рубежом укрепилось название "trace elements" - следовые элементы), это в первую очередь, группы тяжелых металлов, благородных металлов, редких рассеянных злементоз, фтора и других, обычно менее 0,02-0,1%.
Однако, если учесть общий объем всего сжигаемого топлива, то в окружающую среду поступают микроэлементы в количествах больших во много раз, чем при разработке специальных сырьевых источников.
Природоохранные нормы, принятые в Европе, США и других странах предписывают ограничения по' выбросам некоторых из них. Действующее законодательство, например Акт о чистом воздухе США и руководство по качеству воздуха в Германии (TALUFT нормы) уже содержат указание о выбросах микроэлементов в атмосферу-
Исследования различных углей подтверждают, что содержание каждого из микроэлементов меняется в широчайших пределах от месторождения к месторождению. Оно также широко колеблется и внутри одного месторождения и даже одной выемки. Это затрудняет получение достоверных данных по распределению и поведению микроэлементов в процессе горения.
Микроэлементы,как правило, обогащают продукты сгорания и распределяются между следующими направлениями:
-в газообразном виде выбрасываются в атмосферу, -находятся в составе твердых остатков (в золе или шлаке) , -конденсируются на обтекаемых поверхностях.
Очевидно, что способ сжигания, температура сжигания и время пребывания в зоне горения оказызает заметное влияние на распределение исходного содерхания микроэлементов по указанным направлениям.
Кроме того, в процессе горения может происходить разложение, окисление и восстановление этих элементов и их соединений и интенсивность каждого из этих процессов зависит от температурного уровня процесса сжигания, то есть, в конечном итоге, от схемы сжигания: слоевое сжигание - неподвижный, кипящий слой, циркулирующий кипящий слой; факельное сжигание - камерное, вихревое, с жидким шлакоудалением, с твердым шлакоудале-нием.
При организации процессов сжигания по различным схемам возникает необходимость изучения распределения микроэлементов между продуктами сгорания методами термодинамического анализа.
В настоящее время имеются отдельные данные по содержанию микроэлементов отдельно в исходном угле и отдельно в продуктах сгорания.Они недостаточно коррелируются между собой,так как получены без выполнения специальноых мероприятий по обеспечению их представительности и достоверности.
Несомненный конечный интерес представляет определение токсичности продуктов огневой обработки микроэлементов в топочном объеме. Однако для этих определений требуется получение представительных проб исходного угля и продуктов сгорания в достаточном для анализов -на токсичность количестве.
Все это определило цель и Бадачи настоящего исследования.
получение подробных представительных данных по содержанию микроэлементов в исходном угле и в продуктах сгорания в зависимости от режимных параметров каждого типа топок;
определение влияния на поведение микроэлементов схемы организации сжигания (слоевое, факельное, камерное) и температурного уровня процесса;
проведение экологотоксикологической оценки химических веществ, выбрасываемых в окружающую среду, на примере, выбросов УК ТЭЦ, в том числе с учетом рассеивания.
ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ, соответствующих данной цели необходимо решение следующих вадач:
- выбор и отработка методики получения представительных проб
для проведения соответствующих анализов на поведение в процессе сжигания микроэлементов, на-конечные соединения микроэлементов в продуктах сгорания этого угля,
выбор и, в отдельных случаях, разработка методики определения содержания микроэлементов в отобранных пробах,
аттестация выбранных методик и контрольные опыты по проверке их достоверности,
ЕЫбор объектов (топочных устройств), на которых могло бы быть проведено представительное сжигание,
проведение опытов с сжиганием стабилизированной партии угля в топочных устройствах с различным температурным уровнем процесса,
обработка и анализ поведения соединений микроэлементов исходного угля при переходе в конечные соединения для различных схем сжигания,
выбор и отработка методики оценки токсичности микроэлементов к их соединений.
В данной работе было уделено особое внимание получению представительных проб, в связи с этим:
для стабилизации характеристик исследуемой партии угля производилось многократное перемешивание сырого угля с использованием экскаватора (на открытой площадке) и кранового тельфера в бетонном бункере,
для стабилизации осредненных характеристик и сопоставимости разных опытов во всех случаях (в разных топках) сжигалась одна и та же партия угля,
в опытах, как правило, сжигался дробленный или измельченный уголь (до пылевидного состояния),
для обеспечения представительности пробы на анализ на содержание микроэлементов проба угля отбиралась из б точек каждого кюбеля (емкости для хранения и транспортировки угля или угольной пыли), отобранные пробы тщательно перемешивались и в случае использования дробленного угля, проба, (отрбранная из бункера дробленного угля),измельчалась до пылевидного состояния и из нее отбирались несколько (не менее 4-х) порций для дальнейшего анализа,
для идентификации проб исходного угля и проб продуктов сгорания производилась гомохронизация отбора проб и соответственно отбор проб велся в течение всего опыта,
- для анализов, (включая оценку токсичности и радиоактив
ность) использовались утвержденные методики и аттестованные
лаборатории специализированных организаций, включая лаборато
рию топлива института, (описание использованных методик приве
дено во второй главе),
—опыты со сжиганием исследуемой партии угля в различных топких (циркулирующий кипящий слой, аэрофонтакная топка, одиночной факельной горелки, циклонная топка с жидким шлакоудалени-ем) проводились на их специальных огневых моделях, созданных по методике КазНЖэнергетики,
- измерение основных параметров процесса (температуры, газово
го и фракционного состава, коэффициента избытка воздуха), а
также составление необходимых балансов проводилось традицион
ными методами.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ заключается:
в получении1 данных по поведению микроэлементов, содержащихся в доходном угле в^процессе сгорания топлива, включая оценку их токсичности,
в определении распределения микроэлементов между газообразными и твердыми продуктами сгорания,
в определении влияния температурного уровня процесса и коэффициента избытка воздуха на поведение микроэлементов,
проведение опытов на специальных огневых моделях, что обеспечило ісореллируемость полученных результатов, с изменением основных режимных параметров. ' '
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные'данные позволяют:'
дополнить традиционную схему, сертификации топлива данными по содержанию микроэлементов, содержащихся в исходном угле и в продуктах сгорания, - :
рекомендовать приемлемую схему сжигания данного угля в зависимости от содержания микроэлементов в продуктах сгорания и их токсичности, контроль за выбросами некоторых элементов,
подготовиться к сертификации Казахстанских уг.г й по новейшим мировым стандартам. -, .
КЕТОДИЧЕСНИЕ. ОСОБЕННОСТИ выполненного исследования:
расширенное применение методов стабилизации характеристик сжигаемой партии угля,
применение методов обеспечения представительности проб для анализа исходного угля и продуктов его сгорания,
применение огневых моделей различных типов углесжигающих топок для определения содержания микроэлементов в зависимости от схемы сжигания,температурного процесса,
применение медицинских методов оценки токсичности микроэлементов, содержащихся в угле и продуктах его сгорания,
привлечение специализированных организации и лабораторий для проведения анализов.-требующих аттестованных учреждений и утвержденных методик.(включая токсичность и радиоактивность).
Автор защищает»,:
данные по поведению микроэлементов, содержащихся в исходном угле, полученные с применением комплекса мероприятий по обеспечению необходимой достоверности результатов, в процессе сжигания в разных типах топок.с различным температурным уровнем в зоне горения,' с отличающимися условиями протекания топочного процесса,
данные по оценке токсичности микроэлементов и их соединений, выбрасываемых в атмосферу' в процессе сжигания углей различных месторождений.
адаптация известных методик стабилизации характеристик сжигаемого топлива к исследуемому случаю,
обеспечение представительности отбираемых проб исходного угля и продуктов сгорания на "базе применения известных методик,
обоснование применимости проведения этих опытов на огневых моделях топок, разработанных по методике института энергетик , -участие в проведении опытов, (исследований), по определению влияния температурного уровня процесса горения на поведение микроэлементов и их перераспределение между газовыми и твердыми продуктами сгорания,
участие в освоении недостающих методик анализа содержания соединений микроэлементов в исходном угле и в продуктах сгорания,
-> участие в_ работе по эколого-токсикологической оценке соединений микроэлементов, содержащихся в продуктах сгорания исследуемого угля/'"" .участие в обработке и анализе полученных данных.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.Результаты исследований докладывались на Научно-технической конференции в городе Челябинске на тему "Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка
- 8 -котлов", на НТС ПОЭиЭ "Алтайэнерго,\ на НТС АО "Семей", на НТС института энергетики.
Диссертация выполнялась в рамках научно-исследовательских работ (НИР), заказанных ПОЭиЭ "Алтайэнерго" и АО "Семей" по оценке выбросов микроэлементов, образующихся от сжигания кузнецкого угля, и их опасности для экологии города Усть-Каменогорска. Исследования по свойствам углей различных месторождений проводились в рачках задания Министерства энергетики и угольной промышленности Республики Казахстан. ПУБЛИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ РАБОТЫ.
Основные результаты исследований опубликованы в трех статьях; в сборнике докладов Научно-Технической конференции.
ОБЪЕМ РАБОТЫ.Основной объем диссертации изложен на включая /^ рис. и 3.5табл. и списка использованной литературы.
Диссертация состоит из введения,четырех глав и заканчивается краткими заключением.