Изучение зависимости химсостава золошлаковых отходов от химсостава исходного твердого топлива и способов его сжигания

УДК 621.31.22

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ХИМСОСТАВА ЗОЛОШЛАКОВЫХ ОТХОДОВ ОТ ХИМСОСТАВА ИСХОДНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА И СПОСОБОВ ЕГО СЖИГАНИЯ

© 2011 г. ЕА. Яценко, А.С. Косарев, В.А. Смолий, Е.Б. Дзюба

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

Рассмотрены факторы, влияющие на химический состав золошлаковых отходов, образующихся при различных способах сжигания углей. Произведен сравнительный анализ технологических характеристик качественного состава исходных углей и продуктов их сжигания на ТЭС

Ключевые слова: способы сжигания углей; золошлаковые отходы ТЭС; химический состав; золообразующие компоненты.

Dependence of a chemical compound of ashes and slag on a way of burning of coal on thermal power stations of Russia is considered. The comparative analysis of technical characteristics on structure of coals and products of their processing on thermal power stations is made.

Keywords: ways of burning of coals; ashes and slag a waste of thermal power stations; a chemical compound; forming components of ashes.

Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) России является одной из важнейших жизнеобеспечивающих отраслей производства, оказывающих неоспоримое влияние на развитие абсолютно всех сфер человеческой деятельности, и вносит решающий вклад в формирование основных финансово-экономических показателей страны.

Предприятия энергетики составляют около 30 % объема промышленного производства страны, обеспечивают около 40 % всех налоговых поступлений в бюджет. Доля продукции ТЭК в общем объеме экспортных валютных поступлений России составляет около 43,0 % ,

При сжигании угля на тепловых электростанциях (ТЭС) образуется большое количество золошлаковых отходов (ЗШО, золошлак), оказывающих негативное влияние на все компоненты окружающей природной среды (ОПС). На первый план выступает острая проблема экологии угольной промышленности, тепловой энергетики - специальные направления по снижению загрязнения компонентов биосферы токсичными элементами, образующимися при сжигании углей [1]. Одним из центральных вопросов экологии промышленной энергетики, связанной с утилизацией отходов, является форма нахождения неорганических веществ (НОВ) в углях и продуктах их сжигания.

В золошлаковых отходах ТЭС в несколько раз по сравнению с исходными углями может возрастать содержание токсичных Ве, As, F,), потенциально токсичных и тяжелых металлов (Мп, РЬ, V, №, Со, Сг, Cd, Se), в том числе - потенциально промыш-ленно значимых микро- и макроэлементов и их соединений.

Золошлаки, накапливаясь в золоотвалах в значительных объемах, создают реальную угрозу загрязнения почв, водоемов, атмосферы, но, в то же время, могут представлять промышленный интерес как нетрадиционное техногенное сырье [2, 3].

Таким образом, можно констатировать, что проблема, связанная с образованием и накоплением ЗШО и необходимостью их дальнейшей утилизации, является одной из первостепенных и актуальных экологических проблем тепловой энергетики.

Химический состав ЗШО тесно связан с составом исходного топлива. В этой связи анализируется в целом комплексная геосистема - «исходный уголь -зола-унос - шлак - золошлак» (У - ЗУ - Ш - ЗШ).

Золошлаки представляют одну из групп твердых углеотходов. Основную массу их органической части составляют углерод, водород, кислород и азот. С точки зрения геохимии неорганического вещества (НОВ), минеральными компонентами называют все химические элементы, входящие в состав горючих ископаемых и углеотходов, кроме органической составляющей [4, 5].

Это разделение условно, так как кислород, водород, сера и кальций могут быть связаны как с органической, так и с их минеральной составляющей. В составе золошлаков, также как и в горючих ископаемых, может быть обнаружено до 70 элементов периодической системы элементов.

Главными составляющими систем «У - ЗУ - Ш -ЗШ» являются золообразующие элементы: Si, А1, Fe, №, К, Са, Mg, иногда И и Р, присутствующие в основном в виде кислородных соединений, в меньшей степени - в виде соединений с серой. На их долю приходится до 85^98 %. Остальные компоненты (эле-

менты, примеси), присутствующие в минеральной части, содержание которых, как правило, не превышает 0,01 % (на сухое вещество) называют малыми элементами или микроэлементами (микрокомпонентами) минеральной части [1, 4, 5].

Химический состав золошлаков может колебаться в широких пределах при сжигании одного и того же угля, но в целом он, как правило, считается стабильным для одного и того же топлива в определенный период времени.

Анализ используемых котельных установок на предприятиях ТЭК России показывает, что в настоящее время при сжигании углей широко используются способы слоевого, факельно-слоевого сжигания и сжигания в «кипящем слое» [1].

При любом способе сжигания микроэлементы, составляющие минеральную часть угля, возгоняются в шлак и зольные уносы, причем их содержание в конечных продуктах может превышать содержание в золе сжигаемых углей. Шлак остается в топочном пространстве котла, а зола-унос газообразными продуктами сгорания выносится из топки, а затем улавливается газоочистным устройством [1].

Объем выбросов золовых частиц и выход массы ЗШО, их химический и гранулометрический состав зависят от сочетания многих факторов. Условно их можно разделить на три группы:

- качественные характеристики сжигаемых углей;

- способ сжигания угля;

- эффективность золоулавливающих устройств (золоуловителей).

Из многих качественных характеристик углей основными параметрами, влияющими на выход ЗШО, являются зольность (Аа) и теплота сгорания (Qi):

МЗШО = ¡1 ^, А а ) .

Чем выше зольность сжигаемого угля, тем выше выход ЗШО. С ростом теплоты сгорания угля выход ЗШО увеличивается в значительно меньшей степени.

Способ сжигания угля определяется, в основном, видом топочного устройства, способом организации топочного процесса, режимом работы котельной установки.

Функционально:

МЗШО = /2 (?4, аун ) .

Влияние вида топочного устройства определяется значением доли золы-уноса (аун) и режимной характеристикой котла - потерей теплоты с механическим недожогом топлива (д4). Значения этих величин для различных видов топок устанавливается нормативным документом. Режимы работы котельных установок определяются многофакторными теплотехническими характеристиками.

Влияние золоуловителей на выход ЗШО определяется только их эффективностью (КПД). Функционально:

МЗШО = /3 (^зу ) .

КПД золоуловителя существенно зависит от его вида. Например, батарейные циклоны имеют проектный КПД на уровне 82^85 %, мокрые золоуловители -96^98 %, а электрофильтры имеют КПД выше 99 %. Чем выше КПД золоуловителей, тем больше количество уловленной золы и выход ЗШО. В свою очередь, эффективность работы золоуловителей определяется размером и плотностью минеральных частиц, физическими, химическими и электрическими свойствами золы.

Физико-механические свойства, химический, микрокомпонентный состав минеральной части ЗУ, шлака, ЗШО зависят от теплофизических характеристик исходного топлива, технологий сжигания и принятой системы золоудаления.

Установленные технологические характеристики по исследованным пробам приведены в табл. 1 (на примере Донецкого АШ).

Таблица 1

Средние технологические характеристики проб

Наименование пробы Шифр пробы Зольность на рабочую массу Аа , % Общее содержание углерода (на сухое вещество) с А, % Общее содержание серы (на сухое вещество) Sf , % Общее содержание азота (на сухое вещество) мА, % Общее содержание водорода (на сухое вещество) нА, %

Исходный уголь 1.У-ср 34,8 57 1,64 0,54 1,09

Зола-унос 1.ФЗУ-ср 89,6 7,9 0,43 Не определялось

Шлак 1.ФШл-ср 97,6 1,0 » То же

Зола-унос 1.СЗУ-ср 91,1 5,6 0,45 »

1.КЗУ-ср 90,0 5,5 0,48 »

Шлак 1 .СШл-ср 99,7 0,55 0,11 »

1 .КШл-ср 99,65 0,6 0,1 »

Примечание. У - исходное топливо, уголь; Ф - факельное сжигание угля; С - слоевое сжигание угля; К - сжигание угля в низкотемпературном кипящем слое; ЗУ - зола-унос; Шл - шлак.

Сравнительным анализом основных технологических характеристик, определенных в пробах, установлено, что зольность на рабочую массу ла (%) золы-уноса ниже зольности шлаков при любом способе сжигания. Значение Ла (%) золы-уноса при факельно-слоевом сжигании ниже, чем при слоевом сжигании топлива и в «кипящем слое», причем значения Ла последних двух способов существенно не разнятся.

Значение общего содержания углерода С? (%) в золе-уноса в 5^7 раз превышает значение показателя в шлаках, причем при факельно-слоевом сжигании С? в 1,2^1,5 раза выше, чем при слоевом сжигании топлива и в «кипящем слое». Значение С? в шлаках при

факельном сжигании в 1,5^2 раза выше, чем при слоевом сжигании в «кипящем слое».

Значения общего содержания серы Б? (%) в золе-уноса по трем способам сжигания существенно не разнятся, содержание серы Б? в шлаках в 4^5 раз ниже, чем в золе-уноса.

Установленные для исходных углей значения Л?, С? , Б? , соответствуют значениям величин информационных источников и справочным данным.

Рассчитанные значения величин указывают на целесообразность раздельного способа удаления и размещения золы-уноса и шлака от котлов с целью их раздельного дальнейшего использования как вторичного сырья.

Средние химические составы минеральной части исходного угля и продуктов его сжигания при факель-но-слоевом, слоевом сжигании и сжигании в кипящем слое приведены в табл. 2.

Результаты анализов проб указывают на то, что основными компонентами (золообразующими) мине-

ральной части углей и продуктов их сжигания являются кислородные соединения: SiO2, А1203, СаО, Fe2О3. Незначительная доля элементов присутствует в виде сульфатов: СаSО4, MgS04, FeS04 [4, 5].

На основании данных исследований можно констатировать, что продукты сжигания углей, как и сами угли, относятся:

- по содержанию кремнезема - к кварцевым или силикатным;

- по содержанию соединений железа, в основном, - к среднежелезистым;

- по содержанию соединений алюминия, в основном, - к среднеглиноземным;

- по содержанию соединений кальция и магния -к низкокальциевым.

На рис. 1, 2 представлены диаграммы химического состава системы «уголь - зола-унос - шлак - зо-лошлак», отражающие разные режимы сжигания угля.

Исходный уголь Ш Зола-унос ЕЗ Шлак Н ЗШО

Рис. 1. Химические составы исходного угля и продуктов его сжигания

Таблица 2

Средние химические составы минеральной части исходного угля и продуктов его сжигания

Наименование пробы Шифр пробы Компоненты, % по массе, на золу

SiO2 AI2O3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 P2O5 K2O Na2O

Исходный уголь 1.У-ср 52,5 20,9 6,33 11,9 1,3 0,66 1,06 2,9 2,33

Факельное сжигание

Зола-унос 1.ФЗУ-ср 51,2 22,9 6,3 12,8 1,6 0,76 0,29 2,8 2,8

Шлак 1.ФШл-ср 67,3 10,9 6,2 8,6 0,95 0,63 0,3 3,3 2,2

ЗШО Золо-отвал 1.ФЗШО-ср 56,88 15,88 7,45 8,28 3,16 0,71 0,25 0,88 0,58

Слоевое сжигание

Зола-унос 1.СЗУ-ср 50,55 17,8 7,43 15,8 5,45 0,13 0,38 1,89 0,79

Шлак 1.СШл-ср 53,05 20,0 4,35 14,35 3,22 0,15 0,17 1,34 0,99

Сжигание в кипящем слое

Зола-унос 1 .КЗУ-ср 51,75 17,95 6,9 18,73 5,15 0,14 0,13 1,1 0,74

Шлак 1 .КШл-ср 53,7 18,7 5,15 5,95 3,1 1,15 0,16 1,16 0,98

Исходный уголь Ü Зола-унос

Ш Шлак

И Шлак (кипящий слой) ШЗШО

Рис. 2. Химические составы исходного угля и продуктов его сжигания

Поступила в редакцию

Данная научно-исследовательская работа проводится в рамках реализации Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Литература

1. Повышение экологической безопасности тепловых электростанций : учеб. пособие для вузов / А.И. Абрамов [и др.]; под ред. А.С. Седлова. М., 378 с.

2. Синтез теплоизоляционных материалов на основе шлаковых отходов ТЭС / Е.А. Яценко [и др.] // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Техн. науки. 2010. № 2. С. 59 - 62.

3. Применение математического моделирования при исследовании прочностных свойств пеношлакостекла / Е.А. Яценко [и др.] // Стекло и керамика. 2011. № 3. С. 21 - 24.

4. Состав и свойства золы и шлака ТЭС: справ. пособие / под ред. В.А. Мелентьева. Л., 1985. 292 с.

5. Компоненты зол и шлаков ТЭС / Л.Я. Кизильштейн [и др.] / М., 1995. 176 с.

6 октября 2011 г.

Яценко Елена Альфредовна - канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Технологии керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635) 25-52-20. E-mail: e_yatsenko@mail.ru

Косарев Андрей Сергеевич - ассистент, кафедра «Тепловые электрические станции», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)22-76-06. E-mail: smeelov@mail.ru

Смолий Виктория Александровна - ассистент, кафедра «Технологии керамики, стекла и вяжущих веществ», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-51-35. E-mail: vikk-toria@yandex.ru

Дзюба Елена Борисовна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Электрохимические производства, аналитическая химия, стандартизация и сертификация», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-52-20. E-mail: fl.elena@rambler.ru

Jatsenko Elena Alfredovna - Candidate of Technical Sciences, professor, head of department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-20. E-mail: e_yatsenko@mail.ru

Kosarev Andrey Sergeevich - post-graduate student, department «Thermal Power Plant», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-56-71. E-mail: smeelov-86@mail.ru

Smoly Victoria Aleksandrovna - assistant, department «Technology of Ceramics, Glass and Knitting Substances», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-51-35. E-mail: vikk-toria@yandex.ru

Dzjuba Elena Borisovna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrochemical Manufactures, Analytical Chemistry, Standardization and Certification», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. (8635)25-52-20. E-mail: fl.elena@rambler.ru_