ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2008, № 2, с. 53-66
УДК 662.74;662.613
ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОЛЫХ АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ МИКРОСФЕР В ЗОЛАХ-УНОСА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
© 2008 г. В. С. Дрожжин*, М. Я. Шпирт**, Л. Д. Данилин*, М. Д. Куваев*, И. В. Пикулин*,
Г. А. Потёмкин*, С. А. Редшшев*
* ФГУП "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский НИИ экспериментальной физики", Саров
E-mail: 0721@astra.vniief.ru ** ФГУП "Институт горючих ископаемых - научно-технический центр по комплексной переработке твердых горючих ископаемых", Москва E-mail: shpirt @yandex.ru Поступила в редакцию 21.11.2006 г.
Исследованы основные параметры алюмосиликатных микросфер (АСМ), образующихся на ТЭС России, определяющие перспективность их промышленного применения. Проведен сопоставительный анализ свойств минеральных компонентов углей, условий сжигания углей, влияния химического и фазовоминералогического состава минеральных примесей в углях практически всех основных угольных месторождений на формирование микросфер. Рассмотрено влияние условий термического воздействия на процессы газовыделения в минеральных частицах, а также на величину доли АСМ в золах-уноса. Установлено, что при прочих равных условиях более высокий выход микросфер имеет место при пылевидном сжигании углей в топках с жидким шлакоудалением. Выполнен анализ закономерностей образования микросфер и рассмотрен механизм их формирования в золах-уноса при сжигании твердых топлив.
В настоящее время за счет сжигания твердых топлив производится не менее 30% электроэнергии, потребляемой во всех странах. Как известно, сжигание твердых топлив сопровождается образованием золошлаковых отходов, из которых более 90% составляет так называемая зола-уноса или летучая зола. Ежегодный выход золы-уноса, улавливаемой аппаратами очистки газообразных продуктов, оценивается величиной свыше 0.5 млрд. т. В отдельных странах утилизируются значительные количества золы-уноса (Япония, США, Южная Корея, Польша и др.), главным образом в качестве заменителя песка или земляного грунта, а также как добавки к цементу. Однако в большинстве стран основное количество зольных уносов направляется в золонакопители. Так, выход зольных уносов в России составляет не менее 25 млн. т/год, а их использование не превышает 7-8%. Хранение этих отходов в золонакопителях сопряжено с отторжением значительных земельных территорий и неблагоприятным экологическим воздействием.
В ближайшей перспективе ожидается существенное увеличение масштабов сжигания угля в качестве энергетического топлива (как в абсолютном, так и в относительном выражении), что
еще в большей степени повысит необходимость решения задач, связанных с утилизацией зольных уносов. Результаты многочисленных исследований и промышленной практики показывают, что применение зольных уносов позволяет не только сократить их количество в отвалах, но и во многих случаях обеспечивает существенный экономический эффект.
Одним из наиболее ценных компонентов зольных уносов являются пористые сферические частицы алюмосиликатного химического состава и кажущейся плотности <1.0 г/см3, обозначаемые как зольные микросферы, алюмосиликатные микросферы (АСМ) или ценосферы [1-13]. Противоречивые точки зрения имеются по механизму их образования в процессах сжигания углей и других видов твердых топлив [1, 5, 7-12].
Элементный, вещественный и минеральный составы АСМ. Зольные уносы состоят из частиц, которые могут иметь различные химический, фазовый составы и плотность. Эти и другие свойства зависят от состава минеральных веществ сжигаемых твердых топлив, технологических параметров процесса (температуры, времени пребывания в зоне высоких температур и др.), а так-
Таблица 1. Распределение по плотности частиц зольных уносов пылевидного сжигания углей
Сжигаемый уголь, электростанция Шлакоуда-ление Распределение (мас. %) зольных уносов в зависимости от плотности (г/см3)
2.89-2.41 2.41-1.91 1.91-1.40 1.40-0.9 <0.9
Кузнецкий, Т; Томь-Усинская ГРЭС Жидкое 3.03 77.26 11.99 5.72 2.45
Интинский, Д; Череповецкая ГРЭС » 18.18 64.68 11.98 3.46 0.8
Воркутинский, Ж; ТЭЦ-1 Архангель- Сухое 8.96 74.37 10.78 4.16 1.3
ского ЦБК
Донецкий, А; Новочеркасская ГРЭС » 77.49 12.62 7.36 1.51 0.17
Подмосковный, Б; Рязанская ГРЭС » 21.86 64.71 9.39 1.46 0.16
Экибастузский, СС; Омская ТЭЦ-5 » 4.83 68.59 24.31 1.77 0.23
Таблица 2. Содержание АСМ в золах уноса некоторых ТЭС
Угольный бассейн (месторождение) Электростанция, тип шлакоудаления Содержание (мас. %) АСМ, (р < 1 г/см3)
Подмосковный Рязанская ГРЭС, сухое 0.31
Канско-Ачинский Барнаульская ТЭЦ-3, сухое 0.07
Кузнецкий Томь-Усинская ГРЭС, жидкое 3.35
Кузнецкий Томь-Усинская ГРЭС, сухое 0.56
Экибастузский Омская ТЭЦ-5, сухое 0.22
Печорский (Интинское) Череповецкая ГРЭС, жидкое 1.21
Печорский (Интинское) Северодвинская ТЭЦ-1, сухое 0.19
Печорский (Воркутинское) ТЭЦ-1 Архангельского ЦБК, жидкое 1.87
Донецкий Новочеркасская ГРЭС, жидкое 0.18
Приморский Артемовская ГРЭС, жидкое 0.90
же конструкций применяемых топочных устройств [1-4, 10, 12].
При выполнении данной работы были изучены составы минеральных веществ углей, сжигаемых на ТЭС России, зольных уносов, уловленных в электрофильтрах этих ТЭС, а также количества, химический состав и свойства микросфер, содержащихся в зольных уносах. С этой целью по специальной методике [1, 5] помимо проб зольных уносов, отобранных из циклонов и различных полей электрофильтров, изучали также пробы, отобранные с водных поверхностей прудов золонакопителей.
Истинная плотность подавляющего количества частиц зольных уносов изменяется в довольно узких пределах (от 2.2 до 2.9 г/см3). Однако вследствие пористой структуры, формирующейся во многих частицах зольных уносов, плотность отдельных фракций может быть значительно меньше. Фракционирование золы-уноса по плотности р проводили методом "тяжелых жидкостей" с использованием бромоформа (плотность
р = 2.89 г/см3), этанола (р = 0.87 г/см3), пентана (р = 0.62 г/см3) и их смесей. В табл. 1 показано распределение фракций зольных уносов по плотности. Очевидно, АСМ сосредотачиваются во фракциях с плотностью <0.9 г/см3, и их содержание в зольных уносах изменяется в широких пределах (табл. 1). Для более точной оценки содержания АСМ зольные уносы разделяли в воде, с добавкой менее 0.1% поверхностно-активного реагента, способствующего отделению частиц несгоревше-го углерода от микросфер [1].
В золошлаковых отходах котельных, оборудованных слоевыми и факельно-слоевыми топками, практически не обнаружены алюмосиликат-ные микросферы (их содержание <0.1 мас. %). Образование микросфер наблюдается исключительно при пылевидном сжигании твердых топ-лив, причем, количество алюмосиликатных микросфер в зольных уносах существенно выше при сжигании однотипных углей в топках с жидким шлакоудалением, чем в топках с сухим шлакоуда-лением (табл. 2). Так, например, при сжигании в
Таблица 3. Химический состав (по главным компонентам в пересчете на оксиды) вещества зольных уносов (ЗУ) и содержащихся в них АСМ
Сжигаемый уголь, электростанция Продукт сжигания Химический состав, мас. %
SiO2 AI2O3 MgO Na2O TiO2 CaO K2O Fe2O3 &2O3 MnO
Экибастузский бассейн, СС, Омская ЗУ 65.0 30.0 0.18 0.33 1.34 1.68 0.44 3.50 - 0.36
ТЭЦ-5 АСМ 55.0 40.0 0.30 0.14 1.00 1.00 1.70 1.20 - 0.02
Донецкий бассейн, А, Новочеркас- ЗУ 54.0 24.0 2.90 0.90 1.60 2.40 3.20 10.0 - 0.20
ская ГРЭС АСМ 58.0 28.0 1.50 1.00 0.70 1.00 5.00 4.00 0.01 0.04
Кузнецкий бассейн, Т, Томь-Усин- ЗУ 61.0 21.0 2.21 1.60 0.93 4.34 2.41 6.50 - -
ская ГРЭС АСМ 68.0 19.0 1.50 0.90 0.90 2.20 3.80 3.60 - 0.05
Печорский бассейн (Воркутинское ЗУ 61.0 21.0 1.90 0.60 0.90 1.50 1.20 10.0 - 0.20
месторождение), Ж, (промпродукт), АСМ 65.0 21.0 3.80 0.80 0.80 0.70 2.80 5.50 0.01 0.05
ТЭЦ-1 Архангельского ЦБК
Печорский бассейн (Интинское ме- ЗУ 59.0 19.0 3.00 1.50 1.00 2.80 1.20 10.0 - 0.20
сторождение), Череповецкая ГРЭС АСМ 60.0 21.0 3.00 0.80 0.90 5.20 2.60 5.80 0.03 0.05
Канско-Ачинский бассейн, Б, Бар- ЗУ 31.0 12.0 6.00 0.70 - 40.0 0.80 10.0 - -
наульская ТЭЦ-3 АСМ 62.0 25.0 1.00 0.90 0.50 4.10 2.10 1.80 - 0.03
Подмосковный бассейн, уголь Б, ЗУ 55.0 27.0 0.18 0.33 1.34 1.68 0.44 3.50 - 0.36
Рязанская ГРЭС АСМ 56.0 33.0 1.70 0.50 1.00 1.60 1.90 4.10 0.03 -
Бикинское месторождение, уголь Б, ЗУ 58.8 25.9 2.00 0.90 0.90 2.70 2.10 7.60 - -
Приморская ГРЭС АСМ 60.1 28.2 1.60 1.10 0.80 2.40 2.70 6.10 - -
Нерюнгринское месторождение, ЗУ 59.8 23.6 1.70 1.10 0.70 2.20 2.60 4.10 - -
уголь ГЖ, Артемовская ТЭЦ АСМ 57.6 27.2 1.40 1.40 0.70 2.20 3.10 3.30 - -
топках с жидким и сухим шлакоудалением кузнецкого угля марки Т выход микросфер составил 3.35 и 0.56%, а интинского угля Д соответственно 1.21 и 0.19%.
Химический состав (по золообразующим элементам) минеральных веществ изученных углей и зольных уносов, уловленных при их сжигании, очень близок, но состав микросфер несколько иной (табл. 3). По сравнению с минеральным веществом углей и их зольных уносов для АСМ характерно повышенное содержание (в расчете на оксид) алюминия, калия (натрия) и (в большинстве случаев) кремния, а количество железа и кальция ниже, чем в золе исходного топлива (табл. 3). Например, зола уноса и АСМ, образующиеся при сжигании углей Канско-Ачинского бассейна, отличаются по содержаниям Si и Al в 2 раза, по Mg и Fe - в 5-6 раз, а по содержанию Ca - в 10 раз. Следует отметить, что при сжигании угля со значительной концентрацией соединений кальция (>15% в расчете на СаО в золе), например, бурых углей Канско-Ачинского бассейна, либо АСМ не образуются, либо их содержание в золе уноса весьма мало (менее 0.1 мас. %).
Таким образом, содержание алюмосиликат-ных микросфер в зольных уносах может существенно меняться и зависит от химического и вещественного состава минеральных компонентов твердого топлива, а также от способа его сжигания (табл. 1, 2).
Существенным фактором, определяющим вероятность возникновения АСМ, является температура сжигания, которая не должна быть ниже 1300-1400°С. Например, микросферы содержатся в летучей золе, улов
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.