ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2008, № 5, с. 56-67
УДК 662.613:536.7: 541.123.7:546.(47 + 48 + 8)
ПРОЦЕССЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ Zn, Cd, Pb ПРИ СЖИГАНИИ ПОДМОСКОВНЫХ УГЛЕЙ1
© 2008 г. Е. В. Самуйлов1, Л. Н. Лебедева2, Л. С. Покровская1, М. В. Фаминская1
1ОАО "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского", Москва
E-mail: evsam@eninnet.ru 2ФГУП "Институт горючих ископаемых - научно-технический центр по комплексной переработке твердых горючих ископаемых", Москва E-mail: igi-ffi@rambler.ru Поступила в редакцию 20.02.2008 г.
Предложена модель процессов преобразования микроэлементов при сжигании подмосковных углей на основе комплексного подхода, сочетающего возможности геохимии, химической термодинамики, фазовой и химической кинетики. Рассчитаны процессы преобразования микроэлементов Zn, Cd, Pb, содержащихся в подмосковном угле, в потоке продуктов сгорания угля вдоль технологического тракта котлоагрегата П-59 Рязанской государственной районной электростанции (РГРЭС). При разработке модели и расчетах использованы опытные данные.
Процессы преобразования микроэлементов при сжигании углей сложны и для их анализа необходим комплексный подход, сочетающий возможности геохимии, химической термодинамики, фазовой и химической кинетики. Важны процессы выхода микроэлементов в газовую фазу, что в значительной мере определяется формами нахождения микроэлементов в углях и видами углей [1, 4]. Микроэлементы, содержащиеся в органической массе угля, могут непосредственно переходить в газовую фазу в виде пара или образующиеся при сжигании газообразные вещества, содержащие микроэлементы. Процесс перехода микроэлементов в газовую фазу из минеральной части более сложен. Вещества, содержащие микроэлементы в минеральной массе, могут образовывать связи с силикатными компонентами. Значительное разложение их возможно при достаточно высоких температурах. Микроэлементы, присутствующие в минеральной массе в виде сульфидов, вследствие окисления сульфидов и их разложения при топочных температурах могут перейти в газовую фазу.
Для анализа процессов преобразования микроэлементов или веществ, содержащих микроэлементы, в газовой и конденсированных фазах продуктов сгорания необходима информация о видах упомянутых веществ при различных температурах (начиная от топочных и до температур на вы-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(проекты < 05-08-01512 и 07-08-0082).
ходе из дымовой трубы). Необходимы также данные о температурах конденсации паров в потоке продуктов сгорания углей. Продукты сгорания представляют собою сложную многокомпонентную гетерогенную систему, включающую более сотни различных макро- и микрокомпонент. Упомянутые сведения для таких сложных систем могут быть получены практически только на основе термодинамических расчетов. Такие расчеты составов продуктов сгорания подмосковных углей в зависимости от температуры были выполнены с помощью модернизированной компьютерной программы ТЕТРАН [5-8]. При этом была использована исходная информация о термодинамических свойствах индивидуальных веществ из [9-10], а также любезно предоставленная Институтом высоких температур РАН. С помощью термодинамических расчетов можно получить лишь предельные состояния продуктов, которые в принципе реализуются при достаточно длительном пребывании системы при заданных параметрах состояния среды.
Реально для описания процессов преобразования микроэлементов в потоке продуктов сгорания необходимо учитывать фазовую и химическую кинетику их превращений. Основные особенности процессов в технологическом тракте котлоагрегата следующие. Уголь вместе с воздухом поступает в топку в виде мелкодисперсной пыли, подготавливаемой в шаровых мельницах. Горение в топке при температуре около 1700 К происходит в потоке продуктов на всей длине
Таблица 1. Характеристики исходного подмосковного угля (% на рабочую массу), состав макрокомпонентов золы (мае. %), теплотворная способность угля
Аг Сг Нг N 0Г О, кДж/кг
9.5 35.5 1.2 22.75 1.82 0.385 8.845 9934
3102 МА Р^Оэ СаО Mg0 К2О №20 Т1О2
53.1 31.5 9.8 3.2 0.8 0.8 0.2 0.2
Таблица 2. Распределение золы и микроэлементов по улавливающим устройствам*
Номер устройства Наименование улавливающего устройства Зола, кг/кг общ. золы 7п Сё РЬ
г/т общ. золы
1 Шлакоуловитель 0.15 44.0 1.05 7.25
2 Форкамера + 1-е поле электрофильтра 0.687 183.0 4.12 59.1
3 2-е поле электрофильтра 0.118 71.6 0.511 16.5
4 3-е поле электрофильтра 0.019 8.04 0.123 2.47
5 Тканевый фильтр 0.029 10.4 0.104 0.0489
* Начальные содержания микроэлементов: - 160 г/т угля, 227 г/т угл. пыли, 454 г/т общ. золы; Сё - 4.46 г/т угля, 6.33 г/т угл. пыли, 12.66 г/т общ. золы; РЬ - 33.1 г/т угля, 47.7 г/т угл. пыли, 95.4 г/т общ. золы.
топки, равной 5 м для котлоагрегата П-59. При дальнейшем движении продуктов сгорания по рабочему тракту за топкой тепло тратится на подогрев воздуха и воды при постепенном снижении температуры до 458 К. Далее продукты сгорания проходят через форкамеру и электрофильтр, включающий три поля очистки, где из продуктов выводится зола. После этого продукты сгорания поступают по газоходу в дымовую трубу и выбрасываются в атмосферу при температуре ~413 К. Эффективность золоулавливания на РГРЭС около 98%. Некоторая меньшая часть минеральной массы в виде шлака выводится из продуктов непосредственно из нижней части топки. Газовые компоненты, содержащие 2п, Сё, РЬ, образующиеся в топочном пространстве главным образом при деструкции минеральной массы угля, при понижении температуры частично конденсируются на частицах золы уноса. В принципе, возможна объемная конденсация паров веществ, содержащих микроэлементы. Процессы конденсации, как правило, сопровождаются химическими реакциями. Возможны химические реакции в газовой фазе.
Для учета скорости реализации упомянутых процессов получено уравнение кинетики преобразования 2п, Сё, РЬ в потоке продуктов сгорания в технологическом тракте котлоагрегата вплоть до выходного сечения дымовой трубы. По-видимому, в связи со сложностью процессов количество работ, посвященных кинетике преобразо-
вания веществ, содержащих микроэлементы, относительно невелико. Известны работы по кинетике преобразования веществ, содержащих ртуть. В [11] предложена газофазная кинетика преобразования ртути и оценены на основе опытных данных константы скорости процессов. В [12] представлены результаты по кинетике взаимодействия ртути с коксовыми частицами. Эти работы важны, но имеют частный интерес. Наиболее общий подход к описанию кинетики процессов преобразования ртути в продуктах сгорания углей предложен, например, в [13]. В принципе он остается неизменным и для других микроэлементов. В топочном пространстве уравнения кинетики преобразования ртути рассматриваются наряду с полной системой двумерных уравнений газовой динамики потока продуктов сгорания в топке утилизационного котла.
Авторами настоящей работы предложен метод, отличающийся от [13]. При этом акцент сделан на максимальном использовании опытных данных, тщательно обсуждены проблемы оценок основных параметров, характеризующих кинетические процессы. Опытные данные о свойствах подмосковного угля, содержании 2п, Сё, РЬ в исходной угольной пыли подмосковного угля, шлаке, золе уноса, а также данные о распределении золовых частиц по размерам в различных улавливающих устройствах взяты из работы [14] и представлены в табл. 1-3. Отметим, что данные в
Таблица 3. Массовые доли золовых частиц по различным улавливающим устройствам в зависимости от фракционного состава диаметров золовых частиц
Улавливающие устройства Диаметры частиц, мм Плотность, г/см3
1.00-0.50 0.50-0.16 0.16-0.10 0.10-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 <0.005
Форкамера 4.80 44.0 22.4 24.8 2.0 2.0 - 2.33
4.00 44.8 22.8 24.4 - 4.0 - 2.33
1-е поле электро- 0.30 8.50 11.3 23.8 50.0 2.0 4.0 2.19
фильтра 0.30 8.80 11.0 23.8 50.0 2.0 4.0 2.33
2-е поле электро- 0.05 0.40 1.60 15.95 74.0 4.0 4.0 2.16
фильтра 0.05 0.40 1.75 9.8 80.0 4.0 4.0 2.16
3-е поле электро- 0.30 0.40 0.30 3.0 84.0 8.0 4.0 2.14
фильтра 0.30 0.35 0.30 3.0 84.0 8.0 4.0 2.14
табл.2. 3 получены при сжигании угля при коэффициенте избытка воздуха а = 1.25 и, что тканевый фильтр устанавливался только на время проведения опытных исследований. С помощью решения предложенного кинетического уравнения рассчитаны в зависимости от времени вдоль технологического тракта котлоагрегата П-59 вплоть до выхода из дымовой трубы массы микроэлементов цинка, кадмия, свинца, присутствующих в потоке продуктов сгорания в виде пара; массы микроэлементов в виде некоторого вещества, сконденсировавшегося на частицах золы, уловленной электрофильтром; массы микроэлементов, сконденсировавшихся в виде некоторого вещества на частицах мелкодисперсной золы, не уловленной электрофильтром.
Термодинамика процессов преобразования 2и, Сё, РЬ
Современное состояние знаний об индивидуальных термодинамических свойствах некоторых образующихся в продуктах сгорания угля веществ (главным образом конденсированных веществ), а также их видах не позволяет провести точные термодинамические расчеты. Поэтому для конденсированных веществ используются две модели: модель идеальных растворов и модель чистых фаз. В модели идеальных растворов учитывается энтропия смешения, но не учитывается энтальпия смешения. Энтальпии смешения, как правило, значительно меньше энтальпий химических превращений, которые учитываются в полной мере. При расчетах важно предварительно разделить различные конденсированные вещества при учете правила фаз Гиббса на группы, образующие растворы, и выделить вещества, не образующие растворов, т. е. "чистые вещества".
Расчеты процессов преобразования 2и, Сё, РЬ при сжигании подмосковного угля проводили при коэффициенте избытка окислителя а = 1.25. Для принятого а по табл.1 и составу воздуха с учетом аргона определен параметр А = 4.749 кг прод. сгор./кг угля, из термодинамических расчетов определен объем массы продуктов сгорания при сжигании кг угля V = 1.229 ■ 102Т м3/кг угля, где Т - температура продуктов сгорания в К, и массовая доля газа = 0.925 кг газа/кг угля.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.