Сжигание ирша-бородинского угля и его полукокса на огневом стенде

Исследования по сжиганию КАУ и его полукокса проведены на экспериментальной установке кафедры ТЭС ПИ СФУ (рис. 2.17), оборудованной индивидуальной схемой пылеприготовления с шаровой барабанной мельницей производительностью 3 т угля в час, циклонной топочной камерой и экспериментальным газоходом. Установка позволяла изменять режимы подготовки и сжигания углей в широких пределах. Циклонная топочная камера огневого стенда рассчитана на сжигание до 500 кг топлива в час в зависимости от режима горения и калорийности угля. [125].

Таблица 3.2

Данные по химическому составу минеральной части топлив

Наименование топлива	Ad		Vdaf				Na2O	K2O	Водорастворимые
Na2O	K2O	SO3
Размерность	%	%	%	%	кДж/кг		%	%	%	%	%
Ирша-боро-динский уголь	8,0		47,9	0,39		1,50	0,44	0,33	0,21	0,1	3,2
Полукокс ирша-боро-динского угля	19,5	8,75	15,0	0,19		1,76	0,43	0,32	0,11	0,06	1,5

Полукокс ирша-бородинского угля в количестве 10 т был получен на опытно-промышленной энерготехнологической установке завода «Сиб-электросталь» г. Красноярска. Техническая характеристика и основные данные по химическому составу минеральной части исследованных топлив приведены в табл. 3.2.

Учитывая, что полукокс имел довольно грубый помол (R₉₀ = 85 – 90 %, R₂₀₀ = 5 – 10 %), до проведения опытов его размалывали в вентилируемой шаровой барабанной мельнице огневого стенда до R₉₀ = 13,2 – 49,5 %, R₂₀₀ = 1,6 – 7 %.

Перераспределение компонентов минеральной части полукокса в процессе размола характерно для неокисленных углей [126-150] фракции полукокса с размером зерен менее 50 мкм обогащены оксидами кремния и содержат малое количество оксидов кальция и магния как наиболее легких составляющих минеральной части, которые выносятся сушильным агентом из мельницы с крупными частицами. Характер распределения SO₃ аналогичен распределению основных оксидов, что свидетельствует о большой сероудерживающей способности последних в результате термического озоления полукокса при получении лабораторной золы для проведения химического анализа (рис. 3.3, 3.4).

следует отметить одинаковый характер изменения содержания по фракциям пыли оксидов калия и кремния, а также оксидов кальция и натрия в составе ирша-бородинского угля и его полукокса. Это еще раз подтверждает известное мнение о том, что в КАУ оксиды калия и кремния находятся в основном в минералах внешней золы, а оксиды натрия и кальция связаны в органоминеральные соединения, т. е. представлены солями гуминовых кислот. Характер распределения легкорастворимых оксидов подтверждает вышесказанное (рис. 3.4).

Плавкостные характеристики лабораторной золы полукокса имеют «короткий» характер (Dt = t_c – t_a), причем их абсолютная величина значительно увеличилась по сравнению с исходным ирша-бородинским углем (полукокс: t_a = 1140 °C, t_c = 1210 °C; уголь t_a = 1120 °C; t_c = 1170 °C), что объясняется изменением химико-минералогического состава полукокса при его получении на пиролизной установке [151-155].

Рисунок 3.3 – Распределение химических компонентов по топливным фракциям полукокса и ирша-бородинского угля: D – ирша-бородинский уголь;

○ – полукокс

Необходимо отметить, что в отличие от ранее сжигавшихся на огневом стенде углей Канско-Ачинского бассейна (назаровского, ирша-бородинского, березовского, балахтинского) прохождение полукоксовой пыли этих же углей через бункеры, питатели и течки огневого стенда не вызывало затруднений. Горение полукокса в объеме топочной камеры происходило устойчиво, обрывов факела и затягивания ядра горения в экспериментальный газоход не наблюдалось, что еще раз подтверждает высокую реакционную способность полукоксов КАУ [156-170] и хорошо согласуется с результатами промышленных исследований на Егоршинской ГРЭС и Красноярской ТЭЦ-1 [84]. При температуре в ядре факела порядка 1350 °С при сжигании полукокса на стенках топочной камеры появлялась пленка жидкого шлака.

Рисунок 3.4 – Распределение общего содержания оксидов щелочных металлов

(Na₂O_общ, К₂O_общ) и легкорастворимой части (Na₂O_р, К₂O_р) по фракциям угольной пыли полукокса и ирша-бородинского угля: D – ирша-бородинский уголь;

○ – полукокс

Это обстоятельство следует объяснить увеличением плавкостных характеристик полукокса при его получении на энерготехнологической установке. Сжигание полукокса сопровождалось известным перераспределением компонентов минеральной части между шлаком и летучей золой в результате сепарации в объеме топочной камеры. Шлак обогащался соединениями кремния и алюминия, а летучая зола – оксидом кальция как наиболее мелкодисперсной составляющей [161-168].

Плавкостные характеристики шлака и летучей золы полукокса приведены на рис. 3.5.

Таблица 3.3

Теплотехнические характеристики опытов

Величина	Обозначение	Размерность	Ирша-бородинский уголь	Полукокс ирша-бородинского угля
Температура факела в топочной камере, °С
Коэффициент шлакозолоулавливания в топке	αшл	–
Содержание горю-чих в уносе		%	1,90	2,20	2,70	3,80	0,40	8,10
Теплонапряжение объема топочной камеры	qV		1,28	1,83	2,12	11,80	1,61	1,66
Теплонапряжение зеркала горения	qS		3,14	4,85	5,62	3,25	4,67	4,81

Увеличение температуры в топочной камере повышало тугоплавкость летучей золы. Это объясняется изменением ее химико-минералогического состава за счет более интенсивной сепарации в шлак оксида кремния в объеме топочной камеры (рис. 3.6) и увеличения содержания в уносе тугоплавких кальциевых соединений, которые, как известно, при СаО > 30 % приводят к повышению плавкостных характеристик уноса [169-177].

При повышении температуры в ядре факела происходит более интенсивное связывание свободного оксида кальция в сложные соединения, в результате чего его содержание в летучей золе снижается (рис. 3.7), что уменьшает активность минеральной части топлива к образованию прочно связанных отложений. Основные теплотехнические характеристики опытов приведены в табл. 3.3.

Согласно исследованиям Виккерта [178] из щелочных соединений наиболее активной в отношении загрязнения и коррозии поверхностей нагрева котлоагрегатов является их легкорастворимая часть

Рисунок 3.5 – Изменение плавкостных характеристик летучей золы
и шлака при различных температурах сжигания полукокса

Количество легкорастворимых соединений щелочных металлов в отличие от опытов на ирша-бородинском угле как в летучей золе, так и в первичных отложениях для полукокса в 1,8 – 2 раза меньше. Их содержание в летучей золе практически не зависит от температуры сжигания (рис. 3.8), хотя общее количество (включая нерастворимую часть) несколько возрастает. Таким образом, пиролиз КАУ способствует переходу легколетучих щелочных соединений в труднорастворимые [178], которые, являясь труднолетучими [123], снижают степень испарения щелочей при сжигании полукокса. В нашем случае при пиролизе ирша-бородинского угля количество легкорастворимых щелочей снижается почти вдвое (0,31 % – для ирша-бородинского угля и 0,17 % – для полукокса) при практически одинаковом содержании общих щелочей. Кроме того, зольность полукокса как продукта пиролиза КАУ более чем вдвое превышает зольность ирша-бородинского угля (табл. 3.2).

Рисунок 3.6 – Изменение содержания SiO₂, CaO, Fe₂O₃ в летучей золе
полукокса от температуры в топочной камере

За счет более тугоплавкой минеральной части полукокса снизилось значение коэффициента шлакоулавливания (табл. 3.2). В результате влияния этих двух факторов при сжигании полукокса резко возросла концентрация летучей золы в дымовых газах (до 2,5 раз) по сравнению с исходным КАУВ настоящее время имеется большое количество работ, указывающих на положительное влияние отдельных компонентов минеральной части топлива на работу котельных агрегатов. Установлено, что если зольность топлива увеличивается за счет глинистых минералов (каолин, бокситы) и оксида магния (в некоторых случаях их вводят специально в виде присадок), то они активно адсорбируют на себя щелочные соединения, образуя высокоплавкие соли [150-152, 154-157]. Таким образом, за счет значительно возросшей концентрации летучей золы в дымовых газах при сжигании полукокса резко увеличивается ее эффект как разбавителя и адсорбента щелочей, в результате чего снижается доля легкорастворимых соединений щелочных металлов и их количество практически не зависит от температуры сжигания.

Свойства и состав летучей золы, как правило, определяют характер образования и упрочнения отложений на высокотемпературных поверхностях нагрева котлоагрегатов. Как известно, формированию гребневидных отложений предшествует процесс образования первичного слоя.

При проведении специальных стендовых исследований на огневом стенде КГТУ, позволяющих более четко проследить динамику роста отложений, их структуру, состав, форму и прочность, обнаружено, что вторичные отложения на высокотемпературных поверхностях нагрева формируются в том случае, если на первичном слое образовался рыхлый промежуточный слой [186-188]. При сжигании полукокса (Т_ф = 1305 – 1500 °С) первичный слой отложений на зондах с различной температурой стенки (от 100 до 600 °С) в диапазоне температур дымовых газов от 700 до 1000 °С толщиной порядка 0,5 мм не имел прочной связи с поверхностью труб зондов в отличие от опытов с ирша-бородинским углем.

Исследования по сжиганию полукокса КАУ хорошо согласуются с ранее полученными результатами, указывающими, что скорость роста первичных отложений практически не зависит от температуры в ядре факела (рис. 2.9). Интенсивность образования отложений меняется при температуре стенки зондов 500 °С и выше [188], если на закрепление частиц в слое начинают влиять силы адгезии и процессы спекания [189] выше по сравнению с ирша-бородинским углем (рис. 2.9). Для ирша-бородинского угля образование отложений в зависимости от температуры сжигания находится в пределах 450 – 500 °С, а для полукокса она составляет 500 – 550 °С, что увеличивает эффективность работы пароперегревательных поверхностей нагрева котлоагрегатов при сжигании полукокса.

Рисунок 3.7 – Влияние температуры сжигания на содержание свободного
оксида кальция и легкорастворимых оксидов серы в летучей золе:
D – ирша-бородинский уголь; ○ – полукокс

Рисунок 3.8 – Содержание оксидов натрия и калия ( ) в летучей золе при различных температурах сжигания: 1, 3 – ирша-бородинский уголь;
2, 4 – полукокс; Δ – общее содержание щелочей ( ), %;
· – содержание легкорастворимых щелочей ( ), %

Рисунок 3.9 – Зависимость скорости роста первичных отложений от температуры стенки трубы (t_г = 1020–1060 °C): 1 – ирша-бородинский уголь;
2 – полукокс ирша-бородинского угля

Исследования по изучению интенсивности образования вторичных отложений проводились с помощью неохлаждаемых и воздухоохлаждаемых зондов. В интервале температур сжигания полукокса от 1300 до 1500 °С скорость роста гребневидных отложений изменялась незначительно и заметно возрастала при повышении температуры в ядре факела свыше 1500 °С (рис. 3.10). При повышении температуры газов интенсивность образования гребневидных отложений увеличилась как для полукокса, так и для ирша-бородинского угля. При сжигании полукокса отмечаются пониженная (в 1,5 раза) скорость образования вторичных отложений и более высокое(на 40 – 50 °С) значение температуры начала их образования (рис. 3.11).

Полученные результаты можно объяснить таким образом. Во-первых, плавкостные характеристики летучей золы полукокса несколько выше, чем у исходного КАУ, и она содержит меньшее количество свободного оксида кальция (рис. 3.7).

Рисунок 3.10 – Зависимость скорости образования гребневидных отложений
от температуры сжигания: 1 – ирша-бородинский уголь; 2 – полукокс

Рисунок 3.11 – Влияние температуры дымовых газов на скорость роста вторичных отложений (m = 5,1 г/нм³): 1 – ирша-бородинский уголь, t_т = 1550 °С;
2 – полукокс, t_т = 1540 °С; 3 – полукокс, t_т = 1300 °С

В отличие от исходного КАУ в полукоксе почти в два раза меньше серы (табл. 3.2), поэтому меньше концентрация серного ангидрида в дымовых газах, что обусловило снижение химического процесса сульфатизации летучей золы в слое отложений и соответственно снизило скорость их роста. Вторичные отложения для полукокса в отличие от КАУ характеризовались главным образом слабоспекшейся массой серого цвета и легко разрушались при механическом воздействии. При увеличении температуры в топочной камере склонность летучей золы КАУ и его полукокса к упрочнению возрастает, что подтверждается исследованиями на прочность специально вырезанных проб отложений с экспериментальных поверхностей нагрева огневого стенда, исследованиями по спеканию проб летучей золы (рис. 3.12) и ранее проведенными исследованиями на различных углях Канско-Ачинскогобассейна [187-188].

Рисунок 3.12 – Влияние температуры сжигания на прочность спекания проб

летучей золы: D – ирша-бородинский уголь; ○– полукокс

Снижение прочности вторичных отложений для полукокса объясняется рядом причин. Во-первых, это происходит вследствие меньшей концентрации серного ангидрида в дымовых газах, который участвует не только в процессе сульфатизации отложений, способствующего упрочнению отложений, но и является активным катализатором непосредственно процесса упрочнения отложений за счет спекания [192-194].

Во-вторых, полукокс до сжигания имел в три раза меньшую влажность (табл. 3.2), что резко сократило концентрацию водяных паров в дымовых газах. Водяные пары, находясь в перегретом состоянии, способствуют упрочнению натрубных отложений [195], что еще раз подчеркивает преимущества полукокса как энергетического топлива.

Рисунок 3.13 – Зависимость скорости образования гребневидных отложений
от тонины помола (m = 3,5 г/нм³): ▲ – ирша-бородинский уголь; · – полукокс

Увеличение тонины помола полукокса до R₉₀ ≤ 25 % очень резко интенсифицирует образование вторичных отложений (рис. 3.13, 3.14), что объясняется снижением доли абразивного износа и хорошо согласуется с результатами специальных исследований, проведенных на огневом стенде, при сжигании назаровского бурого угля [196] Температура начала шлакования для полукокса, определяемая с помощью неохлажденных зондов, находилась в интервале температур 1000 – 1020 °С, несколько повышаясь при более низких температурах в ядре факела, и практически не отличалась от опытов на ирша-бородинском угле.

Специальные исследования по определению содержания оксидов азота (NO_х) в дымовых газах при сжигании полукокса (в пересчете на a = 1,25) составили в среднем около 400 мг/м³. Это значительно ниже, чем при сжигании исходного ирша-бородинского угля, и практически совпадает с результатами исследований при сжигании полукокса на Красноярской ТЭЦ-1.

Рисунок 3.14 – Зависимость скорости образования гребневидных отложений
от температуры газов при различной тонине помола сжигаемой полукоксовой
пыли (t_m = 1260 – 1350 °C)

Выводы

1. Сжигание полукокса ирша-бородинского угля на Егоршинской ГРЭС показало высокую реакционную способность, надежное воспламенение пылевоздушного потока. Отмечена бoльшая стабильность факела по сравнению с кузнецким углем при одинаковом содержании летучих веществ.

2. Во время опытного сжигания полукокса КАУ на котле БКЗ–320 Красноярской ТЭЦ-1 наблюдались устойчивый выход жидкого шлака в диапазоне нагрузок котла (D = 160 – 300 т/ч) и хорошее выгорание топлива. Содержание горючих в уносе уменьшилось в 1,5 раза по сравнению с ирша-бородинским углем. Прохождение полукокса через бункеры, течки и питатели затруднений не вызывало. В период транспортировки полукокса по тракту топливоподачи отмечено меньшее пыление в узлах пересыпки и при загрузке бункеров сырого угля по сравнению с ирша-бородинским углем.

3. По сравнению с исходным ирша-бородинским углем при сжигании полукокса на котле БКЗ-320 и в условиях огневого стенда КГТУ было установлено следующее: повышение температуры стенки, при которой начинается образование первичных отложений в пределах 40–50 °С; снижение скорости роста как первичных, так и гребневидных натрубных отложений в среднем в 1,5–1,7 раза; уменьшение прочности отложений и снижение их связи со стенкой металла поверхностей нагрева; снижение концентрации оксидов азота в 2 раза.

Перечисленные преимущества полукокса позволят нормализовать экологическую обстановку вокруг ГРЭС и ТЭЦ КАТЭКа. Наряду с этим будут значительно уменьшены затраты на собственные нужды за счет снижения интенсивности очистки поверхностей нагрева от отложений; увеличится время работы котлоагрегатов на номинальных нагрузках или близких к ним. В итоге появится реальная возможность значительно увеличить экономичность работы котельного оборудования и повысить коэффициент использования установленной мощности энергетических блоков ТЭС в целом.

Таким образом, проведенные исследования впервые показали, что пиролиз не только обеспечивает комплексную переработку углей с получением ценных химических продуктов, но и выступает как способ термической подготовки канско-ачинских углей, позволяющий использовать их в энергетике с бóльшей эффективностью.