Выявление причин образования кислой пульпы в системе оборотного гидрозолошлакоудаления при сжигании казахстанских углей на ТЭС

Исследованы физико-химические процессы в системах мокрого золоулавливания и гидрозолоудаления при сжигании Экибастузского и Карагандинского углей на действующих ТЭС РК. Определен качественный и количественный состав углей и продуктов их горения методами рентгенофлуоресцентного и рентгенофазового анализов. Установлена связь между составом продуктов горения углей и образованием кислой пульпы в скруббере, а также выявлены причины уменьшения кислотности  золовой пульпы, транспортируемой на золоотвал, и осветленной воды с золоотвала. 

Большинство тепловых электрических станций Казахстана используют в качестве твердого топлива низкосортные казахстанские угли, характеризующиеся достаточно высокой зольностью [1].

Зольность топлива определяется составом минеральных примесей. Наряду с простыми оксидами и солями, в состав минеральных примесей твердого топлива

.              .

входят минералы - алюмосиликаты (в т.ч. каолинит Al2O3 2SiO2 2H2O), кремнезем, карбонаты и сульфаты Са2+, Mg2+, Fe2+, сульфиды FeS, CaS, оксиды железа, а также соли натрия и калия. При сгорании углей образуются продукты, важнейшими из

которых являются оксиды SiO2, Al2O3, FeO, Fe2O3, CaO, MgO.

Состав золы экибастузского угля на 96-97 % состоит из 2 соединений – кислотного оксида кремния и амфотерного оксида алюминия [2]. Такое высокое содержание этих оксидов в золе обусловливает ее высокую тугоплавкость. По этой причине экибастузский уголь сжигают в камерных пылеугольных  топках с твердым золоудалением. Физико-химические превращения минеральной части углей в этих топках приводят к тому, что зола в основном содержит муллит и кварц, поэтому она весьма абразивна и характеризуется высоким удельным электрическим сопротивлением.

Для очистки дымовых газов от твердых частиц и частиц недожога в практике ТЭС нашли широкое применение мокрые золоуловители с трубами-коагуляторами Вентури (ТКВ) в сочетании с каплеуловителями центробежного типа [3]. В диффузоре трубы Вентури частицы золы и капельки воды, движущиеся с различными скоростями, соударяются - происходит коагуляция. Мелкие частицы золы поглощаются более крупными каплями воды, тем самым обеспечивается их лучшее улавливание в центробежном скруббере.

Протеканию процесса коагуляции способствует наличие в составе дымовых газов амфотерных оксидов алюминия и железа (III). Коагуляции в ТКВ предшествует процесс гидролиза указанных оксидов:

 

Al3+ + Н2О → (AlОН)2+ + Н+  ;                       Fe3+ +  Н2О →  (FeОН)2++ Н+; (AlОН)2+ + Н2О→(Al(ОН)2)+ + Н+  ;                             (FeОН)2++ Н2О → (Fe(ОН)2)+   + Н+; (Al(ОН)2)+ + Н2О→Al(ОН)3↓ + Н+ ;           (Fe(ОН)2)+   + Н2О → Fe(ОН)3↓+ Н+.

 

Процесс прямой коагуляции – укрупнения частиц между собой-связан с природой взаимодействующих частиц, то есть наличием или отсутствием развитой удельной поверхности у реагирующих частиц. Из литературных источников известно [4], что оксид алюминия является отличным адсорбентом. В составе углей и соответственно в отходящих газах в нашем случае его значение достигает почти 26%.

В скруббер, стенки которого орошаются водой, тангенциально вводится поток дымового газа. Коагулированные водой частицы удаляются в золовой бункер. Далее золовая и шлаковая пульпа перекачиваются совместно или раздельно багерными насосами по пульпопроводу на золоотвал [5].  При  этом пульпа зачастую имеет кислый характер, являющийся причиной коррозии оборудования.

Для установления причин кислого характера пульпы, образующейся в системе оборотного гидрозолошлакоудаления ТЭС при использовании в качестве топлива углей месторождения Каражыра и Майкубе, нами было проведено сравнительное исследование процессов сжигания угля. В качестве объектов выбраны две действующие ТЭС РК с котельными установками БКЗ-75-39ФБ и БКЗ-160-100ФБ соответственно. В системе улавливания золы установлены мокрые золоуловители с предвключенными трубами-коагуляторами Вентури.

Нами были изучены физико-химические процессы, протекающие при сжигании угля, при орошении водой в трубе Вентури и при транспортировке пульпы на золоотвал. Проведен химический анализ пульпы золошлакового материала, полученного после сжигания угля Каражыра.

Золовая пульпа в скруббере после трубы Вентури имеет кислый характер (рН=4,49). На выходе из скруббера и в начале пульпопровода рН золовой пульпы незначительно повышается до значения 5,51. Это можно объяснить растворением в пульпе щелочных и нейтральных компонентов золы - оксидов кальция и щелочных металлов. Растворимость этих компонентов в скруббере составляет всего 2-4 % в связи с ограничением времени контакта золовых частиц с водой (от 1 до 10 сек).

Далее золовая пульпа по пульпопроводу транспортируется на золоотвал, где происходит осветление золовой пульпы и увеличение рН до значения 7,87.

В таблице 1 приведен качественный и количественный состав золы указанных углей, установленный рентгеноспектральным анализом.

 

Таблица 1- Результаты рентгеноспектрального анализа золы углей месторождения Каражыра и Майкубе

 

Компоненты золы угля

Na2O

MgO

Al2O3

SiO2

P2O5

K2O

CaO

TiO2

Mn

Fe2O3

ппп

å

 

Каражыра, %

1,15

1,20

23,52

53,22

0,36

1,60

3,36

1,23

0,08

7,21

7,05

99,98

 

Майкубенский, %

1,62

2,87

19,04

46,73

0,72

2,55

7,21

1,33

0,11

9,60

8,19

99,97

 

Увеличение значения рН осветленной воды зависит от соотношения растворенных в воде щелочных компонентов золы (в основном СаО) и поглощенных ею оксидов серы из дымовых газов, то есть наряду с содержанием щелочных компонентов в золе, зольность и сернистость сжигаемого топлива играют немаловажную роль в указанном процессе. Чем выше зольность, тем больше содержание в золе амфотерных оксидов.

Как видно из результатов анализа, основными компонентами золы этих углей являются кислые и амфотерные оксиды кремния, алюминия и железа.

Обычно соотношение в золе оксидов различного типа выражают через его кислотность или основность. Кислотность (К) – это отношение суммы содержания кислых оксидов к сумме содержания основных и амфотерных оксидов (в %):

 

К =           [SiO2 ]+ [TiO2 ]+ [P2O5 ]

[CaO]+ [MgO]+ [AlO3 ]+ [FeO3 ]

 

;                                                 (1)

 

 

при К>1 зола кислая.

Основность (О) - это отношение суммы содержаний основных оксидов к сумме содержания кислых и амфотерных оксидов:

 

О =          [СаО]+ [MgO]+ [K 2O]+ [Na2O]

[SiO2 ]+ [Al2O3 ]+ [TiO2 ]+ [P2 O5 ]+ [Fe2 O3 ]

 

;                                     (2)

 

 

при О>1 зола имеет основной характер.

Для золы угля Каражыра:

 

К 53,22 + 1,23 + 0,36  3,36 + 1,20 + 23,52 + 7,21

 

=  54,81 = 1,55

35,29

 

%.                                 (3)

 

 

 

Для золы Майкубенского угля:

 

К 46,73 + 1,33 + 0,72  7,21 + 2,87 + 19,04 + 9,60

 

=  48,78 = 1,26

38,72

 

 

%.                                  (4)

 

 

Как видно из расчетов, кислотность золошлакового материала углей, равная 1,55 и 1,26 соответственно, подтверждает кислый характер этих углей.

Для изучения специфики взаимодействия золошлакового материала с водой нами изучен химико-минералогический и фазовый состав угля, золы и шлака с двух ТЭС  методом  рентгенофлуоресцентного  спектрального анализа.

Результаты анализа, приведенные в таблице 2, практически подтверждают результаты рентгеноспектрального анализа и указывают на преобладание в составе золы кислотного оксида SiO2.

 

Таблица 2 - Рентгенофлуоресцентный спектральный анализ образцов шлака и золы

Образец

Al2O3, %

SiO2, %

Fe, %

1

Шлак угля Майкубенский

14,5

38,1

3,32

2

Зола     Майкубенского      угля      с золоотвала

19,3

48,6

2,47

3

Шлак угля Каражыра

18,1

40,3

6,46

4

Зола угля Каражыра с золоотвала

25,2

52,5

3,82

 

Для установления природы сочетания оксидов металлов в угле, шлаке и золе нами были проведено исследование образцов рентгенофазовым методом, задачей которого является идентификация кристаллических фаз, входящих в состав анализируемого материала [6]. Для проведения анализа предварительно растертую до состояния порошка исследуемую пробу золы помещали в кювету и добавляли связующую жидкость. Максимальная крупность зерен золы  составляла 0,1–0,25 мм. Рентгенограммы образцов снимались на дифрактометре D8ADVANCE (Bruker AXS) с использованием медного излучения с монохроматором на дифрагированном  пучке.  Режим  съемки  образца:  напряжение  на  рентгеновской

трубке 40 kV при токе 40 мА. Шаг сканирования 2θ = 0.02o, время информации в точке при этом шаге – 1.0 сек. Во время съемки осуществлялось вращение образца в   своей   плоскости   со   скоростью   60   об/мин.   Предварительная       обработка

рентгенограмм для определения углового положения и интенсивностей рефлексов проводилась программой Fpeak. При проведении фазового анализа использовалась программа PCPDFWIN с базой дифрактометрических данных PDF-2. Результаты рентгенофазового анализа приведены в таблицах 3 и 4.

 

Таблица 3 - Результаты рентгенофазового анализа минеральной части угля месторождения Каражыра

№ пп

 

 

Образец

Кварц   SiO2, %

.

Каолинит

.              .

Гематит  Fe2O3 , %

Мусковит Al2Si3AlO10(OH)2, %

Альбит Na2O.Al2O .6SiO     %

3             2

Кальцит  СаСО3,  %

Акерманит  Ca2SiO4, %

Кристобалит  SiO2, %

Рентгеноаморфная фаза,,%

1

Уголь мес- торождения Каражыра

40,4

-

44,3

4,2

2,0

2,3

1,0

5,8

-

-

2

Шлак

32,5

44,4

-

8,7

-

4,7

-

-

9,6

10,0

3

Зола после трубы Вентури

60,2

33,5

-

6,3

-

-

-

-

-

10,0

4

Зола с золоотвала

55,7

37,4

-

6,9

-

-

-

-

-

10,0

 

Таблица    4    -     Результаты     рентгенофазового    анализа    минеральной                    части Майкубенского угля

 

 

 

№ пп

 

 

 

 

 

Образец

Кварц   SiO2, %

 

.

Каолинит

.              .

Гематит  Fe2O3 , %

Мусковит Al2Si3AlO10(OH)2, %

.

 

%

Кальцит  СаСО3,  %

Микроклин,  KAlSi3O8  , %

Кристобалит  SiO2, %

Рентгеноаморфная фаза,%

1

Майкубен- ский уголь

49,2

-

48,0

2,8

-

-

-

-

-

-

2

Шлак

46,9

20,2

8,3

5,3

-

4,3

1,7

1,7

1,6

10,0

3

Зола с золоотвала

51,7

23,3

3,1

5,7

-

-

-

6,2

-

10,0

 

Как видно из таблиц, глинистые материалы указанных углей представлены, в основном, каолинитом и кварцем. В угле Каражыра в незначительных количествах присутствуют  несколько     минералов:                гематит,   мусковит,               альбит, кальцит        и акерманит.    В              майкубенском   угле  в                  незначительных     количествах (2,8               %) присутствует только гематит. В образцах прослеживаются две рентгеноаморфные фазы. Одна из них               –            гало с            максимумом 24.52                  θ       -   принадлежит кремнийсодержащей фазе. Гало другой рентгеноаморфной фазы находится в малоугловом диапазоне дифрактограммы и принадлежит углеродсодержащей фазе. В образцах золы и шлака обоих углей также четко прослеживается наличие рентгеноаморфной фазы. В золе и шлаке угля Каражыра наблюдается увеличение содержания кварца, а также появляются значительные содержания новой фазы - муллита, представленного преимущественно амфотерным оксидом алюминия. В шлаке майкубенского угля присутствуют минералы микроклин (11,7 %),  каолинит

(8,3 %) и кальцит (1,7 %).

В продуктах горения углей месторождения Каражыра и Майкубе наблюдается увеличение содержания гематита Fe2O3. Однако его содержание выше  при сжигании угля месторождения Каражыра. Это свидетельствует о более интенсивном характере протекания коррозионных процессов в пульпропроводе в связи с увеличением кислотности пульпы, образующейся при сжигании каражыринского угля.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

  • Белосельский Б.С., Соляков В.К. Энергетическое топливо. – Москва: Энергия, 1980. -169 с.
  • Вдовенко М.И. Минеральная часть энергетических топлив. – Алма-Ата, -256 с.

 

  • Швыдкий В.С., Ладыгичев М.Г., Швыдкий Д.В. Теоретические основы очистки газов. -2-е изд.доп. –М.: Теплотехник, 2004. -502 с.
  • Кизильштейн Л.Я., Дубов И.В., Шпицглуз А.Л. Компоненты зол и шлаков ТЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1995. - 175 с.
  • Назмеев Ю.Г. Системы золошлакоудаления ТЭС. – М.: МЭИ, 2002. - 571 с.
  • Васильев Е.К., Нахмансон М.С. Качественный рентгенофазовый анализ. – Новосибирск: изд. «Наука», 1986. - 199 с.
Фамилия автора: К.С. Идрисова, А.А. Туманова, Б.М. Султанбаева, А.А. Адилбеков
Год: 2015
Город: Алматы
Получить доступ
Чтобы скачать её, вам необходимо зарегистрироваться.
Яндекс.Метрика