О роли механического недожога в формировании отложений летучей золы при сжигании канско-ачинских углей

с высоким содержанием кальция

Изучению механизма образования прочносвязанных золовых отложений на высокотемпературных поверхностях нагрева котлоогрегатов посвящено большое количество работ. Различные исследователи, как в РФ, так и в других странах придерживаются разных точек зрения по этому вопросу. Наиболее распространенными являются теории сульфатизации и спекания, протекающего в твердой и жидкой фазах [107-109]. Многие считают необходимым условием для раскрытия механизма образования связанных золовых отложений рассмотрение этих теорий в совокупности. Обычно процесс образования натрубных отложений разбивают на три стадии [35-39]:

– формирование первичного слоя связанных отложений;

– возникновение прочной связи между первичным слоем отложений и оксидной пленкой трубы;

– образование вторичных (гребневидных) отложений.

Так как образование отдельных слоев отложений в условиях промышленных котлоагрегатов проследить практически невозможно, то было проведено сжигание березовского, назаровского и ирша-бородинского неокисленных утлей на огневом стенде Красноярского политехнического института. Эксперименты показали, что после образования первичного слоя отложений толщиной 0,5 мм, состоящего в основном из частиц летучей золы размером менее 3 мкм, начинается формирование рыхлого промежуточного слоя. Данные о причинах образования этого слоя золовых отложений отсутствуют, между тем, по нашему мнению, он играет решающую роль в образовании гребневидных отложений, которые начинают расти с поверхности промежуточного рыхлого слоя и, в конечном итоге, значительно снижают эффективность работы котельных агрегатов.

Проведенные исследования фракционного состава отложений различных слоев позволили установить, что доля частиц размером от 5 до 30 мкм в промежуточном рыхлом слое возрастает по сравнению с первичным слоем. В этих же частицах находится максимальное количество недожога и свободного оксида кальция. Исследованиями петрографического состава органической части летучей золы установлено, что недожог представлен на 80 – 85 % микрокомпонентами группы инертинита. Изучение узких фракций летучей золы с помощью электронного микроскопа показало, что среди частиц размером 5 ¸ 30 мкм появляется много частиц неправильной формы с шероховатой, ноздреватой поверхностью.

Полученные результаты могут быть объяснены следующим образом. Так как микрокомпоненты группы инертинита обладают наиболее низкой реакционной способностью, имеют пониженное содержание водорода и повышенное углерода [110-112], то для их полного сгорания требуется больше времени, чем для других петрографических составляющих органической части угля. Поэтому они составляют основную часть механического недожога в летучей золе. На преобладание инертинита в горючей части уноса указывается в работах [111-114].

Ранее было показано, что вентилируемый размол бурых углей приводит к концентрации микрокомпонентов группы инертинита в узкой фракции угольной пыли. При размоле канско-ачинских углей инертинитом обогащаются частицы пыли размером менее 30 мкм. Попадая в топочную камеру, самые мелкие частицы топлива (менее 3 ¸ 5 мкм) и более крупные, состоящие из первично неокисленных микрокомпонентов, успевают сгореть. Частицы же размером 5 ¸ 30 мкм, обогащенные инертинитом, полностью не сгорают и становятся источником механического недожога. Кроме того, при горении этих частиц развивается сравнительно низкая температура, которой недостаточно для полного связывания кальция в сложные соединения. В результате рассматриваемая фракция летучей золы содержит повышенное количество свободнго оксида кальция. Этим же объясняется и внешний вид частиц летучей золы обогащенных инертинитом. Из-за недостаточной температуры они не расплавляются и не приобретают шаровидной формы.

На основании вышеизложенного можно представить механизм образования промежуточного рыхлого слоя отложений на поверхностях нагрева следующим образом. По окончании формирования первичного слоя отложений его поверхность становится достаточно шероховатой для закрепления и удержания и более крупных частиц летучей золы (размером от 3 до 20 микрон), содержащих повышенное количество недожога в виде инертинита. Частицы летучей золы большего размера, даже если они будут иметь неправильную форму, не удержатся на поверхности нагрева, так как сила веса и сила инерции у них превышают силу молекулярного притяжения. По мере увеличения толщины слоя отложений температура на его поверхности возрастает, и в формировании отложений начинают принимать участие частицы летучей золы в размягченном или расплавленном состоянии. С этого момента начинается формирование гребневидных отложений. При формировании же первичного слоя, приближаясь к поверхности, частицы остывают и достигают ее в твердом состоянии. Инертинит, накопившийся в слое, постепенно выгорает, образуя систему пор и пустот. Это способствует еще большему разрыхлению слоя отложений.

По истечении продолжительного времени рыхлый промежуточный слой упрочняется в результате процесса сульфатизации и отложения превращаются в прочный монолит, который с большим трудом удаляется с поверхности нагрева котлоагрегата.

Может показаться, что вышеизложенное находится в противоречии с утверждением некоторых авторов о том, что механический недожог, находящийся в слое при сжигании канско-ачинских углей способствует упрочнению золовых отложений. Дело в том, что никем не принимался во внимание состав материала, в котором находится недожог. Ранее рассматривалось влияние частиц недожога, образующих при догорании в слое восстановительные микрозоны, на упрочнение первичных отложений богатых оксидами железа (гематитом) [38]. Частицы гематита, попавшие в восстановительные зоны, восстанавливаются до магнетита, что увеличивает подвижность молекул и значительно интенсифицирует процесс спекания. В нашем случае слой отложений сильно обогащен свободным оксидом кальция, поэтому эффект упрочнения из-за восстановительных микрозон, создаваемых частицами недожога, отсутствует.

Таким образом, при сжигании канско-ачинских углей с высоким содержанием кальция, механический недожог, являющийся в основном продуктом неполного сгорания микрокомпонентов группы инертинита, способствует формированию рыхлого промежуточного слоя, с поверхности которого начинается рост гребневидных отложений.

Для снижения загрязняющей способности летучей золы рассматриваемых окисленных канско-ачинских углей необходима организация сжигания с длительным временем пребывания топливных частиц в топочной камере, что позволит обеспечить их полное выгорание.