Влияние химического состава золы угля на эксплуатационные параметры топок

© В.А. Козлов, 2012

В.А. Козлов

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЗОЛЫ УГЛЯ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТОПОК

Рассмотрено влияние зольности, влаги и химического состава золы угля на эффективность его сжигания и эксплуатацию топок. Ключевыге слова: уголь, зольность, основные и кислы!е оксиды!, температура плавления золы!, шлакование, отложения в топках.

Рядовой уголь после лобычи представляется топливом с определенной исходной энергией, содержащим, как «чистое топливо», так и не горючие элементы, включающие внешнюю породу, внутреннюю зольность и воду. Не горючие элементы можно интерпретировать, как разбавляющие элементы, уменьшающими энергию «чистого топлива», содержащуюся в единице массы. Когда идет горение, порода и внутренние не горючие составляющие угля переходят в золу. Присутствующее в угле значимое содержание серы и ртути при сжигании является причиной возникновения экологических проблем, а также проблем в эксплуатации и ремонте топок электростанций и котельных.

Процесс обогащения угля, который основан на использовании различных физических сил, изменяет характеристики рядового угля в направлении наиболее соответствующим требованиям рынка.

В мире наблюдается тенденция, когда потребители угля для энергетических целей ужесточают требования к производителям угля по уменьшению влаги угля, его зольности и снижению содержания серы.

Так, в Казахстане разработана Правительственная программа по снижению зольности добываемых углей Экибастуз-ского месторождения на ближайшее будущее. На период до 2016 года зольность угля, поставляемого на электростанции, допускается 43 %, на период с 2016 г. по 2021 г. зольность угля, предназначенного для получения электроэнергии на электростанциях должна быть не более 38 % и, начиная с 2021 го-

2021 гола зольность сжигаемого угля лолжна быть не более 29,5 %. Эта важнейшая наролнохозяйственная залача прелпо-лагает не только значительное повышение калорийности топлива, но и позволяет решить экологические проблемы, связанные с уменьшением выбросов загрязняющих веществ в окружающую срелу более чем в 2 раза.

Обогащение угля снижает зольность угля и значительно увеличивает отлаваемую мощность станции, уменьшает врелные выбросы в окружающую срелу. Конечно, затраты на обогащение угля и охрану окружающей срелы требуют лля лействую-щего произволства значительных финансовых затрат. И, зачастую, собственники прелприятий по лобыче топлива оппозиционно относятся к ланным мероприятиям. Далее кратко рассматривается, как качество сжигаемого угля влияет на мощность станции, и как химический состав золы влияет на эксплуатационные параметры топки.

Размер частиц, солержание влаги, наличие глинистого материала может влиять на калориметрические характеристики угля, особенно когла требуется измельчение угля ло крупности, лостаточной лля применения в топках пылевилного факельного и циклонного сжигания. В топках со слоевым сжиганием или в топках кипящего слоя требования к крупности менее критичны.

В топках пылевого сжигания, лробленый уголь полается питателем в распылитель. Уголь, высушенный и измельченный ло крупности менее 0,074 мм, полается в распылитель, который и лоставляет тонкие частицы в топку лля сжигания. Увеличение влаги угля отрицательно сказывается на работе распылителя.

Величина зольности в угле и химический состав угля, являются ключевым фактором формирования расплава и отложений в топке, сужения конвекционного прохола и перегрева секций в топке. Эти отложения препятствуют перелаче тепла и выволу золы из топки. Когла массивные отложения накапливаются, они могут привести к необхолимости остановки работы топки, из-за того что зола может также закупорить прохолы лля горячего возлуха.

6251

3603

2964

2134

211

4,1 35,1 42,0 48,6 56,0 84,7

Зольность угля, %

Рис. 1. Зависимость низшей теплоты сгорания 0„ от зольности Ай для крупного угля класса 25x100 мм

Минеральное вещество в угле уменьшает величину калорийности топлива, является причиной эрозии труб и возлуховолов топки, формирования отложений на трубах, превышения выбросов БО2 и, в итоге, увеличивает стоимость произвеленной энергии, включающей затраты лля склалирования золы и скрубберного осалка.

Минеральное вещество может присутствовать в угле в виле тонких лиссоциированных частиц, как разлеленные углем прослойки поролы, или более в общем, как отлельные частицы поролы из кровли или полошвы, попалающие в уголь при ло-быче. Различные формы негорючего компонента: глинистый сланец, песчаник, глина и пирит являются основными пороло-образующими элементами в угле.

Высокая зольность угля имеет непропорционально неблагоприятное влияние на теплотворную способность угля. На рис. 1 показан типичный график зависимости низшей теплоты сгорания угля от зольности, построенный по ланным исслелования

рядовых углей марки «Л» в питании ЦОФ «Павлоградская» (ДТЭК, Украина).

Аналитическое уравнение зависимости для класса 25х100 мм:

0„ = 6858,42 — 79,41- Аа,

Из уравнения следует, что на 1 % зольности приходится 79,41 ккал/кг.

Аналитическое уравнение зависимости для мелкого класса 1х25 мм:

0„ = 6811,48 — 79,20- Аа,

Из этого уравнения следует, что на 1 % зольности приходится 79,20 ккал/кг.

Увеличение влаги угля влияет на калорийность также как и увеличение зольности, уменьшает его значение. Получено уравнение, для угля марки «Л» разреза «Виноградовский» (КТЭК, Кузбасс), связывающее зольность и влагу:

= 7262,5 — 63,16-Да — 73,08-^

Например, требуемую низшую теплоту сгорания концентрата в 6000 ккал/кг мы сможем получить, при зольности на сухую массу Л^=4,9 % и рабочей влаге = 13,0 %.

Из уравнения видно, что на 1 % зольности приходится 63,16 ккал/кг, а на 1 % влаги — 73,08 ккал/кг, что несколько выше, чем для зольности.

При горении угля происходит образование крупных частиц золы внизу топки, а тонкие зольные частицы вылетают в трубу. Обычно распределение происходит в пропорции около 20 % вниз и 80 % вверх. Удаление золы и ее размещение приводит к значительному увеличению стоимости производства энергии из угля. Улавливание ртути после сгорания угля требует специального места для складирования ртути с пылевидной золой и активации углерода для захвата ртути из дымоходных газов. Без последующего разделения летучей золы и активного углерода, летучая зола из таких процессов не будет пригодна для использования в цементе и бетоне.

В топке также наблюдается отрицательное явление, названное шлакованием, которое включает процесс расплавления золы и смешение расплава с частицами не расплавленной золы в

нижней секции топки, включая и конвекционный проход, который незащищен от лучистого тепла. Химический состав золы угля влияет на процесс шлакования. Имеются различные модели для предсказания процесса шлакования золы, но ключевые параметры качества угля включают, химический состав золы, температуру плавления и зольность топлива.

Леление суммы основных компонентов (СаО, МдО, Ре2О3, №2О, К2О) на сумму кислых компонентов (Б1О2, Д12О3, ТЮ2) золы, определяет величину, так называемого основно-кислотного отношения. Это отношение, так же как и индекс основности (10) для коксующихся углей, широко применяется в модели для шлакования и включается в формулу вычисления фактора шлакования, который для восточных углей США определяется по эмпирической формуле [1]:

=

где Б — содержание серы в угле, %.

Таблица 1

Данные химсостава золы угля разреза «Богатырь-Комир»

Показатели Величина показателя Среднее значение

От До

Температура плавления золы, °С 1490 1500 1495

момент размягчения — — 1300

момент полушария — — 1460

момент жидкого состояния — — 1500

Состав зольного остатка:

БЮг, % 56,9 67,3 62,1

А1203, % 24,4 31,6 28,0

Ре2Оз, % 4,4 7,26 5,83

СаО, % 0,68 3,29 1,98

МдО, % 0,19 1,26 0,72

Т О2, % 1,09 1,65 1,37

БО3, % 0,55 2,31 1,43

Р2О5, % 0,32 1,29 0,80

К2О+ Ыа2О, % 0,56 0,95 0,75

Содержание серы общей

БД % 0,4 1,0 0,7

Солержание серы отражает лействие пирита, который состоит на половину из железа, на шлакование и его влияние в рассматриваемой молели может быть учтено степенью, как:

Ъ = (Рв2Оз1'50+ СаО + МдО +N520+

+ Кг0)/

Величина < 0,6 относит золу к низкой степени шлакуемо-сти, 0,6—2,0 — к срелней степени шлакуемости, 2,0—2,6 — к высокой степени шлакуемости и >2,6 к сверхвысокой степени шлакуемости.

При низком солержании серы в углях уравнение (5) может не соответствовать лействительности, так как, например, за-палные угли США имеют типично большие солержания кальция и натрия и меньше железа и серы чем в восточных углях. Молель преллагает лля запалных бурых углей с составом золы, когла СаО + МдО> Ре2О3 слелующее уравнение [1]:

Ъ =

гле НТ — температура образования полусферы, С°, ОТ — температура размягчения, С°.

Так величина равная 1340°С и более соответствует низкой степени шлакуемости, 1230—1340°С срелней степени шлакуемости, 1150—1230°С высокой степени и ниже 1150°С — очень высокой степени шлакуемости.

Вычислим на примере угля разреза «Богатырь-Комир» (Казахстан) показатель шлакуемости используя ланные о качестве угля из табл. 1.

Показатель шлакуемости булет по уравнению (4):

Ъ = (5,83+ 1,98 + 0,72 +0,75)-0,7/

(62,1 + 28,0 + 1,37) = 0,071,

что соответствует низкой степени шлакуемости Экибастузских углей.

Применение восстановительной или окислительной газовой срелы в метоле опрелеления плавкости золы молелирует повеление углей при сжигании в промышленных агрегатах [3]: при слоевом сжигании в зоне образования шлака созлается восстановительная срела, а при пылевилном сжигании в условиях избытка возлуха — окислительная срела.

В окислительной среле процесс плавления протекает при температурах выше на 70—90 °С, чем в восстановительной среле, что объясняется свойствами соелинений железа. Так, в восстановительной среле образуются легкоплавкие эвтектики закисных форм железа с алюмосиликатами, а в окислительной — тугоплавкие гематитные формы железа.

Химический состав и температура плавкости золы позволяет опрелелить эффективный способ сжигания и улаления шлаков.

Специалисты АЕР (Электроэнергетической Организации Америки) развивают графический метол лля прелсказания процесса шлакования золы в топке [2].

Эта процелура прелполагает, что процесс шлакования является функцией количества золы в топливе, химического состава золы и температуры размягчения золы. Опрел елено, что в больших топках уголь имеет низкий потенциал шлакуемости, а в маленьких или высокотемпературных топках зола имеет потенциал высокой шлакуемости.

Олним из результатов работы АЕР является заключение о том, что уменьшение зольности топлива ослабляет шлакуе-мость.

Обогащение угля часто уменьшает кальций и алюминий в золе концентрата, и обогащение иногла уменьшает температуру размягчения; олнако в лругом случае обогащение может существенно увеличить температуру размягчения золы. Лаже ко-гла обогащение уменьшает температуру размягчения, уменьшение золы в процессе обогащения угля, как показано в работе АЕР, может привести к значительному улучшению в шлаковании золы ланного угля.

Загрязняющие отложения связаны с химией их образования при формировании отложений при нагреве паровых труб. Эти отложения приволят к коррозии труб и ухулшают прохожление газа через топку, полнимая нагрузку вентилятора и снижению мощности топки. Уменьшается открытое пространство межлу трубами лля конвективного прохола. Загрязняющие отложения трулно улаляются. Отложения, в общем, связаны с солержание натрия в золе угля, но отложения могут быть также связаны с оксилами калия в золе и величиной зольности угля.

На модели [2] для отложений в случае, если в золе наблюдается следующее отношение оксидов СаО+ +МдО<Ре2О3, то фактор загрязнения может быть вычислен по формуле:

Я{ = (Рв20з+ СаО + МдО +^О+

К2О)- ^О/

Когда результат вычисления ниже 0,2, зола относится к низкой степени склонности к отложениям, в пределах 0,2—0,5 средней степени склонности к отложениям, в пределах 0,5— 1,0 относится к высокой склонности к отложениям и выше 1,0 относится к сверхвысокой склонности к отложениям.

Этот фактор может также быть вычислен также по формуле:

=

учитывающей суммарное содержание оксидов №2О и К2О. Лля бурых углей фактор отложений определяется как:

Я{ = №2О% в золе угля.

Когда содержание №2О ниже 3 %, зола относится как низкой и средней склонности к отложениям, при содержании 3— 6 % зола относится к высокой степени склонности к отложениям и содержании более 6 % — сверх высокой степени к отложениям.

Испытания бурых углей, что содержание в золе угля натрия оказывает сильное влияние на образование отложений в топке. Фактически испытание показало потенциальное увеличение отложений при увеличении золы в топливе, и что топливо с высоким содержанием натрия и высокой золой создавало много эксплуатационных проблем.

Вычислим значение фактора загрязнения для углей разреза «Богатырь-Комир» по формуле (8):

= (5,83+ 1,98 + 0,72 +0,75)-0,75/( 62,1 +

+28,0 + 1,37)=0,076,

следовательно, зола относится к низкой степени склонности к отложениям.

Обогащение уменьшает зольность в угле и способствует уменьшению отложений при сжигании угля с высоким содер-

жанием натрия. Это связано также с тем, что, возможно, влага обогащенного угля уменьшает солержание натрия в угле и способствует уменьшению отложений при сжигании углей с высоким солержанием натрия.

Влага не только уменьшает энергию сжигания елиницы массы угля, но также уменьшает эффективность станции, за счет увеличения износа топок и уменьшает выхолную мощность станции.

Высокая влага в углях оказывает отрицательное влияние на тепловые характеристики угля, скорость нагрева волы и эффективность тепло— и электростанций. Высокая влага топлива может уменьшить произволительность распылителя топлива в топках, уменьшить теплоотлачу, из-за потерь энергии на испарение волы в топливе при горении.

Лополнительная вола увеличивает массу газа счет парообразования в топке и увеличивает мощность вентиляторов. Увеличение электрической мощности внутреннего потребления, созлаваемой высокой влагой угля, уменьшает эффективность станции. Затраты на очистку топок, пылеуловителей и скрубберов от золы также повышают себестоимость электроэнергии.

Повышенная влага топлива может расширять эффект эрозии труб и материала топок за счет увеличения скорости газа в топке и трубах. Чрезмерное парообразование в топке уменьшает отлачу тепла и увеличивает фактические тепловые потери.

Наиболее ключевые выбросы на тепло— и электростанциях, сжигающих уголь, включают тверлую пыль, БО2, ртуть, N0x и СО2. Выбросы могут быть уменьшены благоларя обогащению угля и снижению влаги. Обогащение угля улаляет золу, серу и ртуть из угля. Уменьшение влаги топлива, особенно важно при высокой влаге угля, улучшает эффективность станций и увеличивает выхол пролаваемой мощности.

Сокращение выбросов N0x и СО2 опрелеляется контролем их образования в топке и расхолом возлуха — топливной смесью. Очевидно, что сжигание качественного топлива в топке и контроль расхола возлуха на сталиях сжигания способствует снижению выбросов N0x. Если качество топлива широко изменяется, а расхол возлуха не соответствует оптимальной смеси топлива, то наблюлается повышенные выбросы N0^ а при нелостаточном сжигании и высокие потери углерола.

Высокое содержание N0* в выбросах топок связано с химией золы, особенно к содержанием пирита, и может иметь результатом проблемы забивания топок. Обогащение угля удаляет пирит из топлива и может уменьшать отложения, связанные с содержанием N0*.

АЕР контролирует выбросы ртути на станциях США и будет требовать существенного снижения содержания ртути в выбросах в будущем. Не смотря на применение сорбентов, требуемых для улавливания ртути, эти технологии для захвата ртути после сжигания могут быть эффективными и экономичными до требуемой степени. Также практика обогащения угля показывает на достигаемое снижение содержания ртути в концентрате на 50 % и выше для многих углей.

Заключение

Обогащение добытого рядового угля, предназначенного для энергетических целей, позволяет:

1. Значительно снизить его зольность и получить концентраты существенно большей теплотворной способностью при сжигании, повышая эффективность работы тепло— и электростанций.

2. Сократить транспортные расходы на перевозку топлива.

3. Снизить содержание серы, N0*, С02 и ртути в атмосферных выбросах, тем самым уменьшить вредное воздействие на окружающую среду.

4. Уменьшить объем таких отрицательных процессов, как шлакование и отложения в топках, на трубах и гозоходах, и тем самым уменьшить эксплуатационные затраты.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Michael B. Doherty, «Evaluation of Coal Quality Impacts on Power Plant Operations», Coal Prep.pp.7—51, April 28—30, 1998.

2. S.K. Ghosh, «Understanding Thermal Coal Ash Behavior», Mining Engineering, pp. 158—162, Fabruary 1985.

3. Хоффман E. Энерготехнологическое использование угля. Пер. с англ.— М.: Энергоатомиздат, 1983. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Козлов Вадим Анатольевич — кандидат технических наук, доцент, главный технолог Коралайна Инжиниринг — СЕТКО, vak@cetco.ru.