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:

      

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 

Результаты рентгеноспектрального анализа золы углей месторождения Каражыра и Майкубе

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 %):

 

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

 Рентгенофлуоресцентный спектральный анализ образцов шлака и золы

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

Результаты рентгенофазового анализа минеральной части угля месторождения Каражыра

Таблица    4    -     Результаты     рентгенофазового    анализа    минеральной    части Майкубенского угля

  Результаты     рентгенофазового    анализа    минеральной    части Майкубенского угля

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 

  1. Белосельский Б.С., Соляков В.К. Энергетическое топливо. – Москва: Энергия, 1980. -169 с.
  2. Вдовенко М.И. Минеральная часть энергетических топлив. – Алма-Ата, -256 с.
  3. Швыдкий В.С., Ладыгичев М.Г., Швыдкий Д.В. Теоретические основы очистки газов. -2-е изд.доп. –М.: Теплотехник, 2004. -502 с.
  4. Кизильштейн Л.Я., Дубов И.В., Шпицглуз А.Л. Компоненты зол и шлаков ТЭС. – М.: Энергоатомиздат, 1995. - 175 с.
  5. Назмеев Ю.Г. Системы золошлакоудаления ТЭС. – М.: МЭИ, 2002. - 571 с.
  6. Васильев Е.К., Нахмансон М.С. Качественный рентгенофазовый анализ. – Новосибирск: изд. «Наука», 1986. - 199 с.
Год: 2015
Город: Алматы