научная статья по теме ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭНЕРГЕТИКИ. СВОЙСТВА ЧАСТИЦ ЛЕТУЧЕЙ ЗОЛЫ ТЭС, РАБОТАЮЩИХ НА УГЛЕ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭНЕРГЕТИКИ. СВОЙСТВА ЧАСТИЦ ЛЕТУЧЕЙ ЗОЛЫ ТЭС, РАБОТАЮЩИХ НА УГЛЕ»

№ 1

ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА

2014

УДК 591.044

© 2014 г. ГЛУЩЕНКО Н.Н., ОЛЬХОВСКАЯ И.П. 1

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭНЕРГЕТИКИ.

СВОЙСТВА ЧАСТИЦ ЛЕТУЧЕЙ ЗОЛЫ ТЭС, РАБОТАЮЩИХ НА УГЛЕ

Рассмотрены вопросы, связанные с физико-химическими свойствами, составом, дисперсностью частиц летучей золы ТЭС, работающих на угле, обсуждаются экологические проблемы, раскрывающие основные закономерности загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами за счет золы уносов, методы и эффективность очистки энергетических газов при выходе из труб ТЭС. Обсуждаются эколого-сани-тарные проблемы, связанные с заболеванием населения, обсуждается роль наносо-ставляющей золы уносов и ее влияние на жизнедеятельность живых систем.

Летучая зола представляет собой ту часть несгоревшей компоненты топлива, которая уносится из топливосжигающего котла вместе с дымовым газом. Согласно определению ОСТ, летучая зола ТЭС — это зола, содержащаяся в уходящих дымовых газах, выбрасываемых из трубы [1]. Разработанный Стандарт устанавливает порядок определения фракционного состава летучей золы ТЭС, дисперсности, скорости витания частиц, устанавливает нормы предельно допустимых значений и т.д., таким образом регламентирует мероприятия для контроля загрязнения атмосферы выбросами ТЭС. Зола уносов собирается в установках улавливания твердых частиц, в различных частях котла (экономайзер, воздухонагреватель), задерживается рукавными и электрофильтрами, а часть ее уносится через трубы [2]. Поэтому интерес исследователей к летучей золе ТЭС связан, во-первых, с экологическими аспектами энергетики и необходимостью совершенствования природоохранных мероприятий в зоне, прилегающей к ТЭС; во-вторых, с влиянием летучей золы ТЭС на жизнедеятельность растительного, животного мира и человека; в-третьих, с коммерческим интересом к продуктам сгорания угля: золе как присадки при производстве пуццолановых строительных материалов и к ценосферам — перспективному компоненту для получения композиционных составов с эксклюзивными качествами сорбентов.

1. Ценосферы энергетических зол

В процессе сжигания угля при температуре вплоть до 1750°С в результате термохимических и фазовых превращений минеральных компонентов энергетического угля образуются частицы летучей золы, которые представляют собой многокомпонентную систему с доминирующими составляющими в виде оксидов алюминия и кремния, солей Na и K, соединений железа. Химический состав и структура частиц летучей золы варьирует в зависимости от происхождения и предварительной обработки состава угля и условий его сжигания. Наибольший интерес для практического использования представляют ценосферы. Это — легкие алюмосиликатные микросферические мембраны, полость которых наполнена инертным газом или воздухом. Цвет ценосфер из-

1ФГБУ Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе РАН, г. Москва.

меняется от серого до почти белого, плотность составляет 0,2—0,8 г/см3. Из-за низкой плотности ценосферы можно легко выделять гравитационным методом из водной среды [3]. Содержание ценосфер в летучей золе зависит от типа угля и варьирует в широком диапазоне 0,01—4,80 вес. % [5]. Размер частиц колеблется от 5 до 500 мкм. Толщина стенки ценосфер составляет от 2 до 30 мкм. Причем размер ценосфер связан с отношением $Ю2/Л1203: маленькие ценосферы размером <150 мкм имеют высокое значение отношения $Ю2/Л1203. Большие ценосферы (150—250 и >250 мкм) имеют низкое значение отношения $Ю2/Л1203 [6].

Ценосферы — многокомпонентная система: Si02—A1203—Fe203—Ca0—Mg0—Na20— К20—1Ю2, в которой содержание основных компонентов варьирует в пределах: 50—65 вес. % — Si02; 20—36 вес. % — А1203; 2—10 вес. % — Fe203. Кроме макрокомпонентов в состав ценосфер могут входить микроэлементы. Например, Р205, Мп304, У205, /п0, Ва0, £Ю, $03 содержатся в количестве от 0,04—0,84 вес. % в ценосферах тепловой электростанции г. Колли (Австралия), в ценосферах ТЭС г. Таронга (Филиппины) следующие соединения: Мп304, У205, /п0, Ва0, отсутствуют [4]. Водонепроницаемость и безвредность ценосфер делает их полезным продуктом в различных областях промышленности. Так, ценосферы используются в качестве наполнителей в цемент. Например, портландцемент может содержать до 35% летучей золы, которая придает ему повышенную прочность [9]. При разработке и создании легких композиционных материалов (синтактические пены) ценосферы наполняют металлами или полимерами, которые имеют большую прочностью, чем другие пены. Ценосферы, покрытые серебром, используются в различных покрытиях, плитках и тканях. Краски с цено-сферами применяются для антистатического покрытия и электромагнитного экранирования [3]. Ценосферы могут быть использованы в диффузионно-сорбционной технологии разделения газовых смесей, в основу которой положен эффект селективной проницаемости оболочки полых микросфер гелием. Другим развивающимся направлением применения ценосфер является создание на их основе микросферических композитных сорбентов для энергосберегающих технологий отверждения жидких радиоактивных отходов в устойчивой минералоподобной форме. Получены высокоэффективные микросферические композитные сорбенты для извлечения радиоактивных цезия и палладия, активный компонент которых локализован во внутренней полости глобул [5, 6].

Таким образом, в летучей золе ТЭС, работающих на угле, содержится ряд микросферических структур, в т.ч. ценосфер, которые обладают ценными свойствами, позволяющими использовать их в различных отраслях промышленности.

2. Экологические аспекты энергетики

Благодаря эффективному управлению промышленными выбросами, 90,8—99,8 вес. % загрязнений из неочищенного газа удаляются, и только частицы, имеющие размер 10 мкм и меньше, составляют основную массу выбросов в составе золы уносов ТЭС [2, 7]. Кроме основных элементов: А1, Fe, Са, Mg, К, в твердых частицах дымовых уносов присутствуют тяжелые металлы, которые являются естественной составляющей органического топлива. При выгорании органического вещества угля происходит испарение металлов, часть из которых конденсируется на аэрозолях и улетучивается с паром. Другая часть испарившегося металла конденсируется на частицах летучей золы. Учитывая, что мелкие частицы имеют наибольшую поверхность, на них происходит конденсация и трансформация паров металлов. При этом металлы могут присутствовать в различных формах и фазах [8]. Процессы преобразования и распределения микроэлементов при сжигании угля достаточно сложны и связаны с особенностями процессов в технологическом тракте котлоагрегата вплоть до выходного сечения дымовой трубы. Учитывая минеральный состав угля, свойства элементов, температуры топки, и выхода из трубы, конденсацию паров в потоке продуктов сгорания

Рис. 1. Оптическое изображение ценосфер [27]

угля и т.д. были проведены термодинамические расчеты с учетом фазовой и химической кинетики превращения элементов с помощью компьютерной программы, что позволило оценить предельные состояния минеральной составляющей зол уносов для индивидуальных элементов. Так, цинк в температурном интервале 400—2000°К может быть представлен в виде: /п, /пО, /пН, /пС1, /пС12, /пЛ1204, /п$Ю3, /пН202; бериллий, свинец представляют 7 соединений, мышьяк — 8, кадмий и никель — 9, медь и сурьма — 11, мышьяк — 3 и т.д. По мере изменения температуры при движении дымовых газов с расплавленными металлами или испаренными металлами от котло-агрегата до выхода из трубы происходит конденсация и образование на частицах дымовых уносов различных фаз и форм металлов [9, 10].

Металлы и их соединения, сконденсированные на частицах золы, улавливаются различными пылеуловителями, вещества, сконденсированные на частицах ультрадисперсной пыли, проходят электрофильтры ТЭС и попадают в атмосферу, не только теоретические расчеты свидетельствуют о присутствии на частицах золы уносов тяжелых металлов в различных состояниях, включая и металлическое, но и экспериментальные исследования. Так, медь на частицах пыли представлена в виде Си(0Н)2 (59—67%), СиС12 (5—12%), СиО (24—26%), Си$ (3—4%). Однако количественное соотношение и распределение зависит от температуры испарения и конденсации металлов (1123 ^ ^ 473° К) [11]. При изучении зольных частиц на альпийском льду Швейцарии, наряду с другими были обнаружены частицы, обогащенные свинцом, который присутствовал в виде РЬО, РЬС12, РЬ$ и РЬ, причем, элементарный свинец и РЬ$ присутствовали в форме скоплений размером 100 нм, состоящих из частиц размером 3—8 нм. [12]. При исследовании Канадского Заполярья в соответствующих по возрасту слоях были найдены ценосферы, которые образовались в результате излияния колоссальных Сибирских траппов, когда расплавленная порода двигалась к поверхности через угольные пласты. Образовавшаяся зольная пыль покрыла приповерхностные слои воды, которые превратились в смертельно опасные зоны, вызвав гибель 90% морских видов и

Рис. 2. Частицы зольной пыли в древних породах (а) и современных ТЭС (б) [13]

70% наземных позвоночных. Частицы зольной пыли пермского периода похожи на золы уноса современных ТЭС (рис. 2) [13].

Расстояния, на которые могут разноситься частицы золы уносов или осаждение их вместе с атмосферными осадками, зависят от физических свойств золы, погодных условий, розы ветров и т.д. Частицы диаметром 10 мкм и более осаждаются довольно быстро и их воздействие проявляется в непосредственной близости от источника на расстоянии до 3 км. Частицы <10 нм и особенно <2,5 нм могут преодолевать сотни километров, прежде чем осядут. Аэрозоли часто выполняют функцию ядра конденсации металлов [2, 14, 15].

Системы защиты атмосферы от летучей золы включают не только современные способы подготовки и сжигания топлива (пылевое сжигание, сжигание в кипящем слое под давлением и т.д.), но и системы очистки, наиболее эффективными из которых являются электрофильтры или тканевые фильтры, при их использовании достигается уровень выбросов не выше 5 мг/нм3. Лучшие способы очистки дымовых газов от ртути — тканевые фильтры или сочетание, десульфуризации + устройство обеспыливания, они позволяют сократить содержание ртути

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.

Показать целиком