Обоснование компоновки исследовательской установки для улавливания летучих загрязняющих веществ при сжигании углей

УДК 662.74

ОБОСНОВАНИЕ КОМПОНОВКИ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ УЛАВЛИВАНИЯ ЛЕТУЧИХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ПРИ СЖИГАНИИ УГЛЕЙ

Куликова М.П.1, Чульдум К.К.2

1Тувинский государственный университет, г. Кызыл

2Тувинский институт комплексного освоения природных ресурсов СО РАН, г.Кызыл

THE SUBSTANTIATION OF COMPOSITION OF INSTALLATION FOR CAPTURING OF VOLATILE POLLUTING SUBSTANCES IN COMBUSTION OF COAL

Kulikova M.1, Chuldum K. 2

1Tuvan State University, Kyzyl

2Tuvan Institute for Exploration of Natural Resources SB RAS, Kyzyl

В статье приведено обоснование компоновки исследовательской установки для улавливания летучих загрязняющих веществ при сжигании угольной шихты. Для исследования выхода загрязняющих веществ при сжигании угля была смоделирована экспериментальная печь с фильтром для улавливания твёрдых загрязняющих веществ и сажи и емкостью для отбора дымовых газов из зоны горения. Рассчитан объём продуктов сгорания, удельный объем уходящих газов при сжигании угольной шихты и предложена схема для отбора газов с объемным приемником, заполненным затворной жидкостью. Технические решения, используемые при обосновании компоновки исследовательской установки, позволят проанализировать влияние топлива различного состава на выход продуктов неполного сгорания (сажи, летучих загрязняющих веществ) при сжигании в экспериментальной печи.

Ключевые слова: уголь, шихта, печь, летучие загрязняющие вещества, сажа, установка, сжигание углей.

The article presents the rationale for the layout of a research facility for capturing volatile pollutants during the combustion of coal charge. To study the release of pollutants during coal combustion, an experimental furnace with a filter for trapping solid pollutants and soot and a tank for collecting flue gases from the combustion zone was modeled. The volume of combustion products, the specific volume of flue gases during the combustion of coal charge are calculated, and a scheme is proposed for sampling gases with a volumetric receiver filled with barrier fluid. The technical solutions used in justifying the layout of a research facility will allow analyzing the effect of fuels of different composition on the yield of incomplete combustion products (soot, volatile pollutants) when burning in an experimental furnace. Keywords: coal, charge, furnace, volatile pollutants, soot, installation, coal combustion.

Введение

Инновационное развитие угольной генерации заключается в усовершенствовании технологии сжигания угля, в увеличении потребления низкокачественных углей и в использовании экологически безопасного топлива. При добыче углей открытым способом образуются огромные количества углесодержащих отходов. Соприкасаясь с

воздухом, уголь начинает окисляться уже при температуре 20 - 25оС, при этом его характеристики ухудшаются: повышается зольность (до 42%), влажность (до 21%), количество мелких фракций, снижается теплотворная способность и спекаемость; витринитовые компоненты подвергаются фюзенизации. Из-за низкого качества окисленные угли практически не перерабаты-

ваются и вместе с вскрышными породами сбрасываются в отвалы.

Качество угля и неэффективность используемых печей и котлов частного сектора, коммунальных котельных сопровождаются высоким химическим недожогом и приводят к сильному загрязнению атмосферного воздуха в г. Кызыле в зимний период. Кварталы с домами частного сектора рассредоточены по всему городу, площадь частного сектора г. Кызыла составляет более половины жилого фонда и оценивается в 17,5км2. Потенциал атмосферы региона наименее приспособлен к самоочищению, что способствует формированию серьёзных проблем для населения. В настоящее время не существует внедренных разработок экологически чистых энергосберегающих технологий сжигания твердых топлив на основе углей тувинского региона. Основное использование угля - энергетическое, предварительная технологическая обработка угля не применяется. В Кызылской ТЭЦ сжигается в год ~ 215 тыс.т. угля, ~60 тыс.т. угля сжигается частным сектором. Общий объём выбросов вредных (загрязняющих) веществ в атмосферный воздух от стационарных источников в 2016 г. составил 19, 499 тыс.т., уровень загрязнения атмосферного воздуха г. Кызы-

ла по комплексному индексу загрязнения характеризовался как «очень высокий». Основной вклад в уровень загрязнения атмосферы города в зимний период вносят такие загрязняющие вещества, как бенз(а)пирен, сажа, взвешенные вещества, формальдегид и диоксид азота. Среднегодовая концентрация бенз(а)пирена составила 7,3 ПДК с.с. (среднесуточные ПДК), отмечалась наибольшая повторяемость превышения ПДК по саже (7,2 %).[1,2]

Проблема утилизации углесодержащих отходов и некондиционных окисленных углей путем использования их в шихте для сжигания и для получения бездымного топлива является актуальной.

1. Модельная печь для улавливания летучих загрязняющих веществ

Объектом исследования являлись угли, реализуемые с топливных складов в г. Кызыле, такие как каа-хемский, элегестский, окисленный межегейский каменные угли, балахтинский бурый уголь. Подбор состава угольной шихты для сжигания и получение топливных брикетов на их основе позволит решить проблему снижения вредных выбросов в атмосферу. В таблице 1 представлены результаты рентгенофлуоресцентного микроанализа углей.

Таблица 1 - Элементный состав углей, %

уголь С О Ыа мв А1 81 8 К Са Бе

каа-хемский 76,16 11,39 1,08 0,82 1,20 1,00 0,82 0,60 1,39 2,54

элегестский 78,92 12,56 0,90 0,60 1,10 1,36 0,71 0,54 1,17 2,14

межегейский окисленный 51,39 30,14 1,26 0,92 4,05 6,44 0,82 0,69 0,89 3,41

балахтинский 67,72 30,85 0,05 0,06 0,33 0,4 0,19 0,01 0,23 0,14

Основным свойством энергетических углей, характеризующим реальное количество тепловой энергии, заключенной в топливе, является низшая теплота сгорания на рабочую массу. Низшая теплота сгорания каа-хемского и элегестского каменных углей составляет 27,2-29,3 МДж/кг, количество теплоты, выделяемое при сгорании межегейского окисленного угля значительно ниже. Для каменных углей Улуг-Хемско-го бассейна характерны низкая зольность и малосернистость, относительная чистота по тяжёлым металлам и токсичным элементам. (Куликова, 2014) Угли Балахтинского (Большесырского) месторождения характеризуются повышенными показателями отражения витринита Ro(0.45-0.49%), низшей теплоты сгорания Qi (20.1-21.4 МДж/кг) и пониженной зольностью Ad (4-6%). [3] Совокупность этих характеристик определяет повышенный интерес к использованию балахтинского угля как относительно высококалорийному энергетическому сырью.

Для исследования выхода продуктов неполного сгорания при сжигании угля в естественных условиях в печи была смоделирована экспериментальная печь с фильтром для улавливания твёрдых загрязняющих веществ и сажи. Экспериментальная печь для улавливания продуктов неполного сгорания угля представляет собой металлический корпус прямоугольной формы ^=520 мм), открытый с нижней стороны. К верхней части корпуса приварен патрубок с гофрированной алюминиевой трубой ^=100 мм, h=580 мм) с фильтром для улавливания летучих загрязняющих веществ. (рис.1) Уголь сжигают на нихромовой спирали (как на колосниковой решётке), расположенной на плите из огнеупорного материала. Печь установлена в вытяжном шкафу, в её нижней части имеется патрубок для подачи воздуха в зону горения.

Были составлены шихты из углей разных месторождений (окисленные и некондиционные, пылеобразные, низкосортные

угли) в разных соотношениях. Исследовано влияние топлива различного состава на выход продуктов неполного сгорания (сажи, твёрдых выбросов) при сжигании в экспериментальной печи с фильтром. Для полного сгорания уголь должен подаваться в печь маленькими порциями, чтобы выделяющиеся летучие вещества успевали полностью прореагировать с кислородом воздуха. Выход твёрдых выбросов, сажи и золы при сжигании угольной шихты представлен в табл.2.

Рис. 1. Печь с фильтром для улавливания твёрдых выбросов и сажи

Таблица 2 - Выход твёрдых выбросов, сажи и золы при сжигании угольной шихты

Наименование Масса твёрдых выбросов и сажи, г Масса золы, г Низшая теплота сгорания,

Qi , МДж/кг

Каа-Хемский: Элегестский 0,014 4,838 28,9

Каа-Хемский: Балахтинский 0,004 2,625 н.о*

Каа-Хемский: Межегейский окисленный 0,026 3,382 26,8

Каа-Хемский: Элегестский 0,011 4,821 28,5

Каа-Хемский: Балахтинский 0,002 2,612 н.о.

Каа-Хемский: Межегейский окисленный 0,022 3,370 25,5

*н.о. - не определено

Наибольшим выходом твёрдых выбросов и сажи при сжигании характеризуется шихта (1:1) из каа-хемского и межегейского окисленного угля, выход твёрдых выбросов и сажи в дымовых газах уменьшается при сжигании угольной шихты из каа-хемского и балахтинского углей. Выход твёрдых выбросов и сажи в дымовых газах при сжига-

нии шихты (1:2) из каа-хемского и балах-тинского углей (1:2) уменьшается до 0,002 г; из каа-хемского и элегестского углей выход сажи составляет 0,011 г. [4]

2. Компоновка установки для улавливания летучих загрязняющих веществ при сжигании углей. Дымовые выбросы включают твердые частицы, сажу и дымовые газы. Со

став выбрасываемых твердых частиц риментальной печи моделируется сжигание включает: SiO2 , А1203, Fe2O3, СаО, MgO, угля в естественных условиях, то для отбора К20, №20, TiO2, Мп02 , Р205. В саже и ды- дымовых газов используют схемы с объем-мовых газах содержатся летучие органиче- ным приемником с созданным разрежением ские соединения (ЛОС), а также полиарома- для отсоса дымовых газов из зоны горения. тические углеводороды (ПАУ), обладающие Одним из вариантов приемника для сбора канцерогенными свойствами. Особенно дымовых газов может служить газгольдер токсичны трёх-пятиядерные ПАУ такие как с расширяющимся объемом, создающим-бенфлуорены, бенз(а)антрацен, бенз(а)пи- ся механическим приводом. Из-за сложной рен, перилен и др. Бенз(а)пирен - один из конструкции такого газгольдера предлага-наиболее опасных канцерогенов, является ется использование приемника с расши-индикаторным веществом для всей группы ряющимся объемом, созданным за счет ис-ПАУ. Из летучих органических соединений течения жидкости из герметичной емкости (ЛОС) в дымовых газах могут содержатся жесткой конструкции с патрубком для отсоединения различных классов: углеводоро- соса дымовых газов. В качестве приемника ды (предельные, непредельные, ароматиче- дымовых газов может служить емкость с ские) и их производные (спирты и фенолы, затворной жидкостью, снабженная патруб-простые и сложные эфиры, альдегиды, кето- ком снизу (регулирование скорости истече-ны, органические кислоты). [5] ния воды) и с патрубком сверху для отбора Для исследования состава загрязняющих дымовых газов из печи. По мере вытекания веществ ( ЛОС, ПАУ и др) в дымовых газах затворной жидкости из емкости, в верхней был рассчитан объём продуктов сгорания ее части и выхлопной зоне печи будет соз-(дымовых газов) при сжигании 1 кг угля. Со- даваться близкое к изобарическому разре-гласно расчету объём продуктов составляет женное давление, способствующее отводу 8,67 м3/кг, удельный объем уходящих газов дымовых газов из печи и притоку свежего при нормальных условиях при сгорании 1 воздуха в зону горения. По сути, эта емкость кг угля равен 13,3 м3 /кг. [6] Таким образом, моделирует тягу дымохода в обычной печи. при сгорании 10 граммов угля образуется Таким образом, увеличивая или уменьшая ~130 литров дымовых газов. Так как в экспе- скорость вытекания затворной жидкости из

емкости можно регулировать скорость лена схема печи с емкостью для отбора ды-процесса горения угля. На рис.2 представ- мовых газов из зоны горения и фильтром.

Огнеупорный материал

Рис. 2. Схема установки для улавливания загрязняющих веществ при сжигании углей Отбор проб ЛОС и нелетучих загрязняю- на экстракцией различными органическими щих веществ, которые находятся в виде па- растворителями, например, гексаном. Ис-ров и аэрозолей (наиболее важные - ПАУ) следования влияния состава угольной ших-можно улавливать в патроне со стеклово- ты на выход загрязняющих веществ, анализ локном, установленным до приемника ды- состава летучих органических веществ в мовых газов. Собранные таким образом, дымовых газах при сжигании топлива по-пробы ЛОС и нелетучих загрязняющих ве- зволят получить новые сведения и обосно-ществ извлекают со стекловолокна и патро- вать подходы при его переработке.

Библиографический список

1. Балакина Г.Ф., Куликова М.П. Экологические проблемы формирования углепромышленной территории в Республике Тыва./ Уголь, № 11, 2018.- с. 96-101.

2. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Республики Тыва в 2016 году». Кызыл: 2016. 104 с.

3. Патраков Ю.Ф., Семёнова С.А. Особенности химического состава различных петрографических компонентов бурого угля Балахтинского месторождения/Химия твердого топлива, 2012, № 1, с. 3-8.

4. Монгуш А.В., Куликова М.П. Исследование влияния состава топлива на выход летучих загрязняющих веществ при сжигании угля /Материалы V межд. научно-практ. конференции мол. ученых, аспирантов и студентов, 26-29 сентября 2018, г. Кызыл, С.167-168.

5. Руководство по контролю вредных веществ в воздухе рабочей зоны. М.: Химия.- 1991.- 693с.

6. Богачева Т.М. «Расчет продуктов горения то-плив в энергетических котлах и вредных выбросов в окружающую среду». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. 14 с.

References

7. Balakina G.F., Kulikova M.P. E'kologicheskie problemy' formirovaniya uglepromy'shlennoj territorii v Respublike Ty'va./ Ugol', № 11, 2018.-s. 96-101.

8. Gosudarstvennyi doklad «O sostoyanii i ob oxrane okruzhayushhey sredy' Respubliki Tyva v 2016 godu». Ky'zy'l: 2016. 104 s.

9. Patrakov Yu.F., Semyonova S.A. Osobennosti himicheskogo sostava razlichnyh petrograficheskih komponentov burogo uglya Balahtinskogo mestorozhdeniya/Himiya tverdogo topliva, 2012, № 1, s. 3-8.

10. Mongush A.V., Kulikova M.P. Issledovanie vliyaniya sostava topliva na vy'xod letuchix zagryaznyayushhix veshhestv pri szhiganii uglya /Materialy' V mezhd. nauchno-prakt. konferensii

mol. uchenyh, aspirantov i studentov, 26-29 sentyabrya 2018, g. Ky'zyl, S.167-168. 11. Rukovodstvo po kontrolyu vrednyh veshhestv v vozduhe rabochei zony\ M.: Himiya.- 1991.- 693s.

12. Bogacheva T.M. «Raschet produktov goreniya topliv v energeticheskih kotlah i vrednyh vybrosov v okruzhayushhuyu sredu». M.: MGTU im. N.E\ Baumana, 2011. 14 s.

Куликова Марина Петровна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии Тувинского государственного университета; старший научный сотрудник Тувинского института комплексного освоения природных ресурсов СО РАН, г. Кызыл E-mail: mpkulikova@mail.ru

Чульдум Кежик Кан-оолович, научный сотрудник Тувинского института комплексногоосвоения природных ресурсов СО РАН, г. Кызыл, E-mail: kezhik-ch@mail.ru

Kulikova Marina, PhD of Chemistry, Lecturer in the Department of Chemistry, Tuvan State University; Senior Research Assistant in the Department of Chemical and Technological Research, Tuvan Institute for Exploration of Natural Resources SB RAS, Kyzyl E-mail: mpkulikova@mail.ru

Chuldum Kezhik - Research Fellow, Tuvan Institute for Exploration of Natural Resources SB RAS, Kyzyl E-mail: kezhik-ch@mail.ru