Теплофизические основы процессов переработки низкосортных углей в барботиремных шлаковых расплавах Прошкин, Александр Владимирович

Введение к работе

Актуальность Современная энергополитическая ситуация диктует необходимость использования все более низкокачественных углей для нужд теплоэнергетики. Однако масштабы энергетического применения этих углей ограничиваются свойствами их минеральной части. При этом возникают проблемы эксплуатационного (шлакование поверхностей нагрева, прекращение выхода жидкого шлака, необходимость транспортировки золошлаковых отходов (ЗШО)) и экологического (безопасное хранение ЗШО и отчуждение земельных угодий под золоотвалы) характера.

Вторичное использование ЗШО в различных отраслях народного хозяйства ограничивается нестабильностью, а также высокой химической активностью их состава. Одной из наиболее веских причин, обуславливающих малый объем использования ЗШО, является низкая экономическая эффективность предлагаемых методов утилизации. В то же время ЗШО содержат черные, цветные металлы, ряд других промышленно-ценных элементов и являются колоссальным источником минерального сырья. Однако прямое извлечение этих металлов и использование силикатной составляющей ЗШО не всегда возможно по соображениям экономического и экологического характера.

Выходом из создавшейся ситуации является поиск новых технологий переработки низкосортных углей. В основу таких технологий должен быть положен принцип комплексного использования углей, заключающийся в получении тепловой, электрической энергии и полным попутным использованием минеральной части с извлечением промышленно ценных металлов, за счет переработки углей в барботируемых шлаковых расплавах (БШР). Реализация этого нового направления переработки низкосортных углей в высокотемпературных условиях вызывает необходимость исследования тегаюфизических основ процессов с целью последующей разработки высокоэффективной техники и технологии комплексного использования углей.

Работа выполнялась в рамках программы ГКНТ СССР по проблеме «Исследование и освоение сжигания канско-ачинских углей на электростанциях КАТЭКа на 1981 -1985 г.г. (пункт 3.5.16 задания 03.05.09, Н29 подпрограммы 0.01.01Ц программы 0.Ц.002), а также в соответствии с государственной целевой научно-технической программой ГКНТ СССР «Экологически

чистая эффективная тепловая электростанция на твердом топливе».

Цель диссертационной работы состоит в разработке тепло-физических основ процессов комплексной переработки низкосортных углей в барботируемых шлаковых расплавах, включая минеральную и органическую части.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели использован комплексный метод, включающий математическое, физическое моделирование и натурные наблюдения. При проведении расчетно-теоретичсских исследований использовалась усовершенствованная трехмерная математическая многозонная модель теплообмена в высокотемпературных агрегатах, а также фундаментальные положения теории подобия. Расчеты выполнялись с привлечением современных средств вычислительной техники.

Исследование поведения угольных частиц в шлаковых расплавах проводилось по оригинальным методикам с использованием дериватографа Q-1500D. Содержание малых элементов в золошлаковых отходах и продуктах их пирометаллургической переработки определялось на приборах ДФС-8, ИСП-28 методом просыпки и с помощью масс-спектрометра «ЭМАЛ-2». Измерения падающих радиационных потоков производились датчиком тина РАПП-3, спроектированным в ИТТФ АН Украины. Анализ и обобщение результатов экспериментальных и теоретических исследований теплофизических процессов осуществлялся с привлечением методов математической статистики.

Достоверность результатов исследований обеспечивается использованием современных методов исследований в области теплообмена, достаточным по статистическим критериям объемом лабораторных и натурных данных, подтверждается удовлетворительной (5-15 %) сходимостью расчетных и экспериментальных исследований, проведением сопоставительного анализа с результатами, полученными разными методами, а также широким опробованием рекомендаций на предприятиях, их внедрением с экономическим эффектом.

Положения, выносимые на защиту

1. Теплофизические основы процессов комплексной переработки низкосортных углей в барботируемых шлаковых расплавах, включающие в себя:

* методы и результаты исследований поведения бурых углей и
составляющих их компонентов в высокотемпературных шлаковых
расплавах;

* методики и результаты теплофизического обоснования

оптимальных размеров установок с БШР, компоновочных схем и способов работы энерготехнологических агрегатов (ЭТА);

результаты математического моделирования теплообмена в ЭТА и выявленные закономерности изменения основных показателей тепловой работы в зависимости от режимных параметров и свойств углей;

результаты теплофизических исследований и промышленного освоения техники и технологии переработки минеральных компонентов бурых углей в новейший материал - пеносиликат;

новые способы малоотходного производства электрической и тепловой энергии и конструкции энерготехнологических агрегатов для их реализации;

результаты исследований потребительских свойств продуктов, получаемых из углей, и определение областей их эффективного применения.

1. Трехмерная многозонная математическая модель теплообмена в энерготехнологических агрегатах и топках с ЖШУ, учитывающая течение жидкого шлака и газификацию низкосортного топлива.

2. Результаты расчетных и экспериментальных исследований теплообмена в топках паровых котлов с ЖШУ, выявленные закономерности процессов формирования и удаления шлака в топочных камерах различных размеров.

Научная новизпа.

1. Впервые исследованы теплофизические закономерности поведения бурых углей в высокотемпературных шлаковых расплавах. Установлено, что:

* при подаче угля в шлаковый расплав на крупных кусках
угля (более 100 мм) формируется оболочка из пористого шлакового
расплава, обеспечивающая замедленный его прогрев;

* мелкодисперсные частицы топлива (менее 1 мм) при
попадании в шлаковый расплав подвергаются газификации с
уменьшением массы частиц по экспоненциальной зависимости
от времени, вид которой определяется размерами и свойствами
угольных частиц, температурой шлакового расплава и условиями
теплообмена;

* в первоначальный момент времени (до 5 с.) мелкодисперсные
частицы теряют более 70 % своей массы в виде летучих соединений.

2. Впервые получены экспериментальные данные о распределении компонентов бурых углей между шлаковой, металлической и газовой фазами в процессе их переработки в высокотемпературных БШР. Выявлено, что:

* в газообразных продуктах переработки бородинских углей в

БШР имеются ценные летучие элементы (Ga, Ge, Se, Mo) в концентрациях, превышающих минимально необходимые для промышленного изшіечения;

в отходящих газах содержатся незначительные количества экологически вредных компонентов - оксидов азота и серы (до 50 и 10 мг/м³ соответственно);

металлическая фаза представляет собой сплав железа с углеродом, содержащий примеси Cr, Си, Ni и др.

3. Предложены методики теплофизического обоснования выбора размеров установок с БШР, предназначенных для переработки низкосортных углей, включающие в себя:

* расчетные соотношения для нахождения оптимальных
размеров установок с БШР при различных режимных параметрах
и теплофизических свойствах шлакового расплава;

* критерий теплотехнической оценки агрегатов с БШР
различной длины, который определяет производительность по
выходу шлака агрегата-аналога по известным значениям
производительности, потерь со шлаком, с охлаждением кессонов
базового агрегата.

^Усовершенствована трехмерная многозональная математическая модель теплообмена в энерготехнологических агрегатах (ЭТА), позволяющая наряду с процессами сложного теплообмена учесть следующие особенности тепловой работы ЭТА для переработки углей:

формирование и движение жидкого шлака по поверхностям нагрева;

разложение флюсов, газификацию угля и восстановление железа его минеральной части в расплаве шлака.

5. Выявлены теплофизические закономерности процесса плавки мелкодисперсной золы-уноса при производстве пеносиликатов, заключающиеся в явлениях флотации частиц железа на поверхность расплава и последующего их осаждения в местах контакта с углеродистой футеровкой печей, вспенивания шлака в конечной стадии процесса.

6. Установлено, что пеносиликаты, получаемые при переработке ЗШО с помощью разработанной техники и технологам, очищают газы от экологически опасных компонентов (NO_x, CS₂, H₂S) и мелкодисперсной пыли, содержащей как промышленно-ценные, так и вредные элементы.

Практическая значимость работы 1. Разработано теплотехническое оборудование и внедрена в промышленное производство технология комплексной переработки

золошлаковых отходов от сжигания низкосортных углей. Это позволило уменьшить затраты на транспортировку и хранение золы, а также сократить вредное воздействие ЗШО на окружающую среду. На Красноярской ГРЭС-2 в течение 4 лет действует комплекс по переработке ЗШО с получением ежесуточно до 150 м³ пеносиликата и до 450 кг сплава на основе Fe, легированного Си, Сг, Ni, Si, С.

2. На Сосновоборском литейном заводе под руководством и
при творческом участии автора проведена реконструкция
промышленной сталеплавильной печи ДСП-12Н2 с целью
использования ее для получения пеносиликатов из золы от
сжигания бурых углей. Модернизированная печь и технология
переработки золошлаковых отходов прошла промышленную
проверку и принята к внедрению.

3. Предложен энергогехнологический агрегат на базе топки котла
БКЗ-320 -140ПТ с расположенной под камерой горения
установкой БШР. Проведены исследования теплообмена при
различных режимных и конструктивных параметрах указанного
ЭТА. Получены номограммы для выбора наиболее рациональных
тепловых режимов его работы.

4. Результаты проведенных теплофизических исследований использованы при подготовке технологического регламента для рабочего проектироваїшя ЭТА, предназначенного для переработки ЗШО на Красноярской ГРЭС-2.

5. Разработан ряд конструкций и способов энергетической переработки твердого топлива в БШР, а также способ переработки летучей золы от сжигания углей, сочетающий создание кипящего слоя и последующую форсированную плавку глубокопог-руженными электродами; сформулированы и обоснованы рекомендации по расположению закладных кессонов и шпуров для выпуска шлакового расплава, конструкциям одноэлектродных малогабаритных поворотных печей, работающих на постоянном токе, водоохлаждаемых сводов, зернистых фильтров на основе пеносиликатов; подготовлены предложения по использованию пеносиликатов для улавливания возгонов из электропечных установок и очистки промышленных газов от сероводорода, сероуглерода и оксидов азота, получен патент на состав вяжущего на основе плавленых ЗШО.

6. Получены данные о влиянии конструктивных изменений топочных камер с ЖШУ на теплообмен и условия формирования шлакового покрытия в камерах горения при сжигании углей различной зольности.

7. Результаты исследований используются в учебном процессе КГАЦМиЗ по программам курсов «Тепловая работа и конструкции печей», «Основы безотходных технологий», часть материалов включена в два учебных пособия.

Реализация результатов

Работа внедрена на КГРЭС-2 с экономическим эффектом 2282 тыс. руб./год (в ценах 1998 г.), в настоящее время ведутся работы по реализации технологии в больших промышленных масштабах на Сосновоборском литейном заводе с ожидаемым экономическим эффектом 8182 тыс. руб./год, на Абаканском сталелитейном заводе с общим эффектом - 4050 тыс. руб./год; проведены пробные плавки на Рубцовском АО Селъмаш, на Красноярском опытно-ремонтном заводе.

Личный вклад автора в разработку проблемы:

Все основные положения, результаты и выводы получены лично автором. Автору принадлежит постановка проблемы и задач исследований, анализ и обобщение результатов расчетно-теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях.

При решении отдельных задач принимали участие к.ф.-м.н Павлов В.Ф. и работавший под научным руководством автора аспирант Федоров В.А. По всем без исключения вьнлеупомянутым работам имеются совместные публикации, ссылки на соответствующие работы даны в тексте диссертации.

Совокупность результатов диссертационной работы может быть квалифицирована как решение крупной научной проблемы, имеющей важное значение для современной теплоэнергетики и заключающейся в разработке теплофизических основ процессов комплексной переработки низкосортных углей в барботируемых шлаковых расплавах, включая их минеральную и органическую части.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных (5), всесоюзных (7) конференциях, совещаниях и семинарах:

IV Всесоюз. конф., Таллинн, 1986; VI Всесоюз. научн.-техн. конф., Каунас, 1987; Всесоюз. конф., Новосибирск, 1988; Всесоюз. научн.-практич. конф., Кемерово, 1990; Всесоюз. научн.-практич. конф., Челябинск, 1990; VII Всесоюз. конф. по радиационному теплообмену, Ташкент, 1991; Всесоюз. научн.-техн. конф., Красноярск. 1991; Междунар. научн.-техн. конф.« Экотехнология», Иркутск , 1996; Междунар. научн.- практ. конф., Красноярск, 1996; Межгосударст. научн.-техн. конф., Магнитогорск, 1996;

Междунар. научн.-практ. конф. «Алюминий Сибири-96», Красноярск, 1996; Междунар. научн.-техн. конф., Магнитогорск, 1997; выездном заседании президиума СО РАН, Красноярск, 1998. Кроме того, материалы докладывались на технических совещаниях Барнаульского котельного завода, Казахского НИИ энергетики, Рязанского научно-исследовательского отделения института Гинцветмет, Харьковской ГРЭС-2, Красноярской ТЭЦ-1 и ГРЭС-2 и др.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 58 печатных работ, в том числе получено 15 авторских свидетельств и патентов.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, списка литературы из 232 наименований и приложения. Работа изложена на 292 стр. машинописного текста, включая 134 рисунка и 25 таблиц.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю признательность и благодарность д.т.н., проф. Мечеву В.В., оказавшему методическую, практическую помощь и поддержку при выполнении работы, группе сотрудников Рязанского НИО института Гинцветмет под руководством к.т.н. В.В.Иванова, персоналу АО НТСМ КГРЭС-2 и Сосновоборского литейного завода, а также коллегам по кафедре ИТФ КГАЦМиЗ.