Перспективы использования кородревесных отходов в смеси с углем при сжигании в котле БКЗ‑75–39ФБ

Проблема утилизации промышленных отходов является одной из актуальных задач современной экологии и энергетики. Рост промышленного производства приводит к увеличению объемов отходов, которые требуют эффективной переработки или безопасного уничтожения [1, 2]. В процессе производственной деятельности накоплены значительные объемы промышленных отходов, содержащих биомассу. Традиционные методы их утилизации (захоронение на полигонах) становятся все менее эффективными по ряду причин: ограниченное количество мест для захоронения; риск загрязнения окружающей среды; высокая стоимость транспортировки и хранения. Поэтому поиск новых, более безопасных и экономически оправданных способов обращения с органическими отходами становится настоятельной необходимостью [3].

Одним из перспективных методов утилизации промышленных отходов, содержащих биомассу, является их совместное сжигание с углем на тепловых электростанциях и в промышленно‑ отопительных котельных. Совместное сжигание представляет собой технологию, при которой такие отходы применяются в качестве дополнительной или частичной замены энергетического угольного топлива в энергетических установках, включая энергетические котлы, цементные печи и другие промышленные объекты. Отходы, пригодные для совместного сжигания, включают: отработанные масла; пластмассы; древесные отходы; резиновые отходы; некоторые виды твердых бытовых и промышленных отходов после предварительной подготовки [4–6]. Для сжигания древесных отходов можно использовать типичные угольные котлы. Сжигание некоторых отходов можно осуществлять при повышенных температурах (до 1500 °C) с целью полного выгорания органических компонентов и разрушения токсичных веществ.

Метод совместного сжигания отходов с углем наряду с утилизацией отходов позволяет генерировать дополнительную энергию, снизить расход традиционного топлива, а также уменьшить выбросы вредных и парниковых газов, общий углеродный след [7–10]. Сжигание отходов биомассы считается углеродно‑нейтральным, поскольку образующийся CO₂ был ранее поглощен растениями‑углеобразователями. При соблюдении технологических норм и контроле выбросов совместное сжигание может быть более безопасным по сравнению с традиционными методами утилизации [11–13].

Несмотря на преимущества, совместное сжигание отходов связано с рядом экологических рисков: возможное увеличение выбросов диоксинов, фуранов, тяжелых металлов и других токсичных веществ (если отходы не соответствуют требованиям по составу), загрязнение золой (образующейся при сжигании) и последующие сложности ее утилизации. Кроме того, при сжигании смесей с отходами может потребоваться предварительная подготовка отходов, контроль их состава, модификация оборудования и топочных устройств, применение соответствующих систем очистки дымовых газов [14]. Поэтому существует необходимость в проведении дополнительных экспериментальных исследований особенностей горения смесей, например, для определения основных параметров горения, таких как температура, при которой происходит воспламенение коксового остатка, и температура, при которой завершается процесс горения.

Для исследования процесса горения твердых топлив, определения основных стадий горения наиболее подходит синхронный термический анализ, который позволяет фиксировать изменения массы образца в зависимости от температуры и времени, что дает возможность изучать кинетику горения, оценивать стабильность материалов и прогнозировать их поведение в реальных условиях эксплуатации. Термогравиметрия (TGA) – это аналитический метод, используемый для изучения изменений массы вещества при его нагревании или охлаждении в контролируемой атмосфере. Анализ проводится с помощью специального прибора – термоанализатора, который регистрирует массу образца с высокой точностью при изменении температуры по заданной программе [15–18].

Цель данного исследования – определение основных параметров горения бурого угля и кородревесных отходов (КДО), состоящих из коры и сучьев ели. Дополнительно будет дана оценка энергетических показателей работы котла БКЗ‑75–39ФБ, переведенного на сжигание твердотопливной смеси на основе угля и КДО.

Материалы и методы

Характеристики исследуемых топлив

При проведении исследований были использованы следующие виды твёрдого топлива:

• 1.    Бурый уголь марки 3Б из Большесырского месторождения Канско‑Ачинского бассейна (в дальнейшем именуется как «УГ»).

• 2.    Измельчённая древесина ели – сучья и кора (далее обозначается как «КДО»).

• 3.    Бородинский бурый уголь из Бородинского буроугольного месторождения (далее обозначается как «2Б»).

Смеси получали путем добавления к углю (УГ) по 25 % массовой доли древесины ели (КДО), в итоге получены три следующие смеси: УГ 75 % + КДО 25 %; УГ 50 % + КДО 50 % и УГ 25 % + КДО 75 %.

Технический и элементный анализы проводились после подготовки проб до состояния аналитической пробы. Образцы угля и КДО предварительно измельчались в дисковой мельнице Retsch DM 200 (Retsch GmbH, Германия). Для фракционного разделения использовалась просеивающая машина RETSCH AS 200 BASIC (Retsch GmbH, Германия), что позволяло получить топливный материал с размером частиц в диапазоне 100–200 мкм. Такой класс крупности измельчения соответствует требованиям к пылеугольному топливу, применяемому при факельном сжигании в котлах тепловых электростанций. Теплоту сгорания определяли на калориметре C 6000 (IKA, Германия) в соответствии с ГОСТ 147–2013. Содержание влаги измерялось по ГОСТ Р 33503–2015 с помощью влагоанализатора MA‑150 (Sartorius, Германия). Зольность устанавливалась в муфельной печи Snol 7.2/1300 (AB «Umega», Литва) согласно ГОСТ Р 55661–2013, а выход летучих веществ – по ГОСТ Р 55660–2013. Содержание углерода, водорода и азота анализировалось на приборе Vario MACRO cube (Elementar Analysensysteme GmbH, Германия) в соответствии с ГОСТ Р 32979–2014. Концентрация кислорода рассчитывалась по разности от 100 % основных компонентов по методике ГОСТ Р 27313–2015, а содержание серы определялось по ГОСТ 8606–2015. Перемешивание компонентов для получения смесей заданного состава осуществлялось с высокой точностью с использованием аналитических весов MS 105du (Mettler Toledo, Швейцария).

Табл. 1. Результаты технического и элементного анализа угля и КДО

Table 1. Results of technical and elemental analysis of coal and KDO

Топливо	W a	W r	A d	V daf	C daf	H daf	N daf	S daf	O daf	Q i r, МДж/кг
	%
УГ	3,1	21,3	5,9	45,1	73,7	5,0	0,9	0,3	20,1	20,2
КДО	4,7	23,2	13,0	77,1	53,8	5,7	-	0,1	40,4	14,3
2Б	-	32,6	7,3	48,0	73,2	5,1	1,0	0,3	20,4	16,3

Примечание: W ^a – аналитическая доля влаги образца; W ^r – доля влаги образца в рабочем состоянии; A ^d – зольность в сухом состоянии; V ^daf – выход летучих веществ; Q _i ^r – низшая теплота сгорания в рабочем состоянии.

Результаты технического и элементного анализа топлив представлены в табл. 1. Анализируя полученные результаты, отметим следующее: зольность КДО в 2,2 раза выше, чем у угля, состав неорганической части КДО отличается от состава неорганической массы угля большим содержанием оксидов кальция и калия; содержание летучих веществ в КДО по сравнению с углем выше в 1,7 раза, азот в образцах КДО не обнаружен, а содержание серы в три раза ниже, чем в угле (табл. 1). Теплота сгорания КДО немного ниже, чем углей (1,2–1,4 раза).

Методика проведения синхронного термического анализа

• и определение основных характеристик горения

  Термический анализ угля, КДО и их смесей осуществляли с использованием термоанализатора SDTQ600 (TA Instruments‑Waters LLC, США) в окислительной среде при скорости нагрева 20 °C/мин и расходе воздуха 50 мл/мин. Начальные массы топливных навесок составляли ± 6 мг. Обработка термограмм производилась с помощью ПО Universal Analysis 2000 (США). В нашем случае термический анализ включал в себя одновременную регистрацию значений термогравиметрии (ТГ) и дифференциальной термогравиметрии (ДТГ) в процессе нагрева навесок топлив от 30 до 800 °C.

Показатель ДТГ max , определенный по профилю кривой ДТГ, характеризует максимальную скорость горения летучих веществ и коксового остатка. Температура воспламенения ( T _i) и температура выгорания ( T b ) определялись по методу пересечения кривых ТГ и ДТГ. Методика определения указанных показателей горения описана в работах [19–23].

Методика определения основных энергетических показателей работы котла БКЗ 75–39ФБ, переведенного на сжигание смеси из угля и КДО

Основные энергетические показатели работы угольного котла БКЗ 75–39ФБ (КПД брутто котла; потери тепла с уходящими газами, потери тепла с механической неполнотой сгорания, потери тепла в окружающую среду, потери с физическим теплом шлака; расход топлива) производились на основе проведения теплового расчёта котла по нормативному методу [24] с учетом рекомендаций по обработке результатов и проведению расчётов теплотехнических испытаний котельных установок [25].

Результаты и обсуждения

Определение основных характеристик горения угля, КДО и их смесей

Изучение процесса горения топлива при термическом анализе осуществляли при скорости нагрева навески 20 °C/мин. Кривые ТГ и ДТГ горения угля и КДО представлены на рис. 1. Весь процесс условно можно разделить на три основных температурных интервала: первый соответствует удалению влаги; второй термическому разложению, сопровождаемому интенсивным выделением летучих веществ, и их горению. Третий этап соответствует воспламенению и горению коксового остатка. В интервале температур 30–700 °C процессы сопровождаются убылью массы топлива и изменением скоростей убыли массы.

На первом этапе в интервале температур 25–110 °C происходит выделение влаги, сопровождающееся незначительным снижением массы образцов (3,8 % из угля и 3,4 % из КДО) (рис. 1 a ). При дальнейшем нагреве термическое разложение топлив происходит в интервале температур у угля 110–360 °C, у КДО 110–292 °C. Данный процесс сопровождается уменьшением массы на 16,1 % для угля и 14,4 % для КДО. На рис. 1 b данный интервал температур характеризуется увеличением скорости убыли массы.

Основной процесс горения топлива начинается с воспламенения коксового остатка, которое, в свою очередь, инициирует выделение и горение летучих веществ и увеличение темпера-

Рис. 1. Профили кривых горения угля и КДО: ( a ) – профили кривых ТГ; ( b ) – профили кривых ДТГ

Fig. 1. Profiles of coal combustion curves and KDO: (a) – profiles of TG curves; (b) – profiles of DTG curves туры. Совместно с коксовым остатком догорают остатки летучих веществ, высвобождающихся при более высоких температурах. Данный процесс протекает в интервале температур у угля 365–561 °C, у КДО 292–493 °C. Убыль массы при горении коксового остатка угля составила 74,6 %, у КДО 68,8 % (рис. 1a). Меньшее снижение массы при выгорании образца КДО по сравнению с углем связано с его высокой зольностью (табл. 1).

При горении коксового остатка угля максимальная скорость убыли массы достигает 24,2 %/мин при температуре 423 °C, завершается процесс горения при температуре 561 °C. Горение летучих веществ с частью коксового остатка КДО сопровождалось максимальной скоростью убыли массы 19,9 %/мин при температуре 338 °C, а при горении основной части коксового остатка максимальная скорость убыли массы достигала 22,2 %/мин при температуре 443 °C. Полное выгорание КДО происходило при температуре 493 °C.

Анализируя полученные данные, можно отметить, что температурные характеристики горения КДО имеют более низкие значения по сравнению с углем, при этом максимальное значение скорости убыли массы (интенсивность горения) при горении коксового остатка угля на 9 % выше, чем у КДО.

Процесс горения смесей представлен профилями кривых ТГ и ДТГ на рис. 2. При нагреве смесей, так же как и отдельных топлив, наблюдается три основных температурных интервала,

Рис. 2. Профили кривых горения смесей на основе угля и КДО: ( a ) – профили кривых ТГ; ( b ) – профили кривых ДТГ

Fig. 2. Combustion curve profiles of coal‑ and KDO‑based mixtures: ( a ) – TG curve profiles; ( b ) – DTG curve profiles

Табл. 2. Характеристики горения угля, КДО и их смесей

Table 2. Combustion characteristics of coal, KDO and their mixtures

Топливо	T i , °C	T b , °C	ДТГ max1 ,%/мин	Т ДТГ1, °C	ДТГ max2 ,%/мин	Т ДТГ2, °C
УГ	360	561	-	-	24,2	423
УГ 75 %+КДО 25 %	347	548	7,7	339	19,4	419
УГ 50 %+КДО 50 %	298	535	12,0	339	16,6	416
УГ 25 %+КДО 75 %	294	517	15,6	338	12,4	408
КДО 100 %	292	493	19,9	338	22,2	443

Примечание: T _i – температура воспламенения; T b – температура выгорания; ДТГ _max1 – максимальная скорость убыли массы при горении летучих веществ КДО; Т Д _ТГ1 – температура, соответствующая ДТГ _max1 ; ДТГ _max2 – максимальная скорость убыли массы при горении коксового остатка КДО и угля; Т Д _ТГ2 – температура, соответствующая ДТГ _max2 .

соответствующих выделению влаги, термическому разложению и горению коксового остатка и оставшейся части летучих веществ. Основные параметры горения смесей представлены в табл. 2.

При нагреве смесей горение выражено двумя экстремумами кривых ДТГ (рис. 2 b ). Этот эффект объясняется тем, что коксовые остатки компонентов смеси горят в разных температурных областях.

Для смеси на основе 75 % угля и 25 % КДО в области низких температур отмечается максимум ДТГ, соответствующий горению летучих веществ и части коксового остатка с максимальным значением скорости убыли массы, равной 7,7 %/мин при температуре 339 °C. Воспламенение коксового остатка происходит при температуре 347 °C. Второй максимум ДТГ наблюдается при более высоких температурах и соответствует горению коксового остатка КДО, догоранию остатков летучих веществ обоих топлив и коксового остатка угля, при этом максимальное значение скорости убыли массы составило 19,4 %/мин при температуре 419 °C. Завершается процесс горения смеси при температуре 548 °C (рис. 2, табл. 2).

При увеличении доли КДО в смеси до 50 % в области температур 200–350 °C наблюдается горение летучих веществ и части коксового остатка КДО, выраженное соответствующим экстремумом с максимальной скоростью убыли массы, равной 12 %/мин при температуре 339 °C. Воспламенение коксового остатка смеси происходит при температуре 298 °C. Второй экстремум соответствует горению коксового остатка угля, остатка летучих веществ обоих компонентов и коксового остатка КДО, при этом максимальная скорость убыли массы достигала 16,6 %/мин при температуре 416 °C. Температура, при которой завершается процесс горения данной смеси, смещается в область более низких температур по сравнению с углем и составляет 535 °C.

Увеличение доли КДО в смеси до 75 % приводит к снижению температуры воспламенения до 294 °C. Максимальное значение скорости убыли массы при горении летучих веществ и части коксового остатка КДО составило 15,6 %/мин при температуре 338 °C. Второй экстремум наблюдается в области более высоких температур и соответствует догоранию оставшихся летучих веществ и горению коксового остатка компонентов смеси, сопровождающейся максимальной скоростью убыли массы, равной 12,4 %/мин при температуре 408 °C. Температура, – 869 – при которой завершается процесс горения смеси, сдвигается в область более низких температур, приближаясь к значениям КДО, и составляет 517 °C.

Можно отметить, что добавление КДО к бурому углю улучшает процесс горения, выраженный снижением температуры воспламенения и выгорания, при этом установлено, что наиболее энергоэффективная доля КДО не должна превышать 25 %.

Определение основных энергетических показателей работы котла БКЗ 75–39ФБ, переведенного на сжигание смеси из угля и КДО

В качестве объекта исследования был выбран промышленно‑отопительный паровой котел БКЗ 75–39ФБ, сжигающий бородинский бурый уголь марки 2Б. Теплота сгорания КДО (14,3 МДж/кг) меньше, чем угля 2Б (16,3 МДж/кг), поэтому при добавлении КДО к данному углю произойдет снижение теплоты сгорания смеси по сравнению с углем 2Б. Учитывая эту особенность, целесообразно перейти на сжигание УГ с теплотой сгорания (20,2 МДж/кг) выше, чем у угля 2Б, и к нему уже добавлять древесные отходы. Для анализа энергетических показателей, включающих в себя: КПД брутто котла, тепловые потери и расход топлива при переводе котла БКЗ 75–39ФБ на сжигание смеси на основе балахтинского угля и КДО, были выбраны следующие процентные соотношения топлив: 100 % бородинского угля; 90 % УГ + 10 % КДО; 80 % УГ + 20 % КДО и 70 % УГ + 30 % КДО. Результаты расчетов представлены в табл. 3.

При добавлении КДО к углю, согласно табл. 3, происходит снижение тепловых потерь и небольшое увеличение КПД брутто котла, при этом происходит снижение расхода угля вслед-

Табл. 3. Результаты анализа энергетических показателей работы котла БКЗ 75–39ФБ

Table 3. Results of the analysis of energy performance indicators of the boiler BKZ 75–39FB

Топлива	Тепловые потери			КПД брутто котла БКЗ‑75–39ФБ	Расход топлива		Теплота сгорания
	q 2,%	q 4 %	q 6,%	η брк	В у , т/ч	В КДО , т/ч	Q i r, МДж/кг
2Б	9,55	0,63	0,016	89,21	12,29	0	16,34
90 % 3Б + 10 % КДО	8,2	0,51	0,012	90,41	8,99	1,02	19,78
80 % 3Б + 20 % КДО	7,4	0,41	0,011	91,69	8,38	2,11	19,09
70 % 3Б + 30 % КДО	6,3	0,32	0,008	92,89	8,09	3,54	18,51

Примечание: q ₂ –тепловые потери с уходящими газами; q ₄ –тепловые потери с механической неполнотой сгорания; q ₄ –тепловые потери с физическим теплом шлака; η^бр _к –КПД брутто котла; В _у – расход условного топлива; В _К Д _О – расход кородревесных отходов.

ствие улучшения процесса горения из‑за положительных особенностей древесной биомассы. Даже при добавлении 30 % КДО к балахтинскому углю теплота сгорания остается выше, чем при индивидуальном сжигании бородинского угля.

Заключение

По результатам проведенного термического анализа в окислительной среде и по результатам расчетов основных энергетических показателей работы котла БКЗ 75–39ФБ, переведенного на сжигание смеси из балахтинского угля и кородревесных отходов, установлено следующее:

• 1.    Температура воспламенения и выгорания кородревесных отходов ниже, чем у балах-тинского угля на 23 и 14 % соответственно.

• 2.    Добавление кородревесных отходов к углю уменьшает температуру воспламенения и выгорания, что, в свою очередь, улучшает процесс горения смесей.

• 3.    В кородревесных отходах по сравнению с углем отсутствует азот, а содержание серы ниже в три раза, вследствие чего можно предположить, что при совместном их сжигании улучшаться экологические характеристики.

• 4.    Установлена энергоэффективная доля кородревесных отходов в смеси, составляющая 25 %, при данной массовой доле в смеси сохраняется высокая максимальная скорость убыли массы, характеризующая интенсивность горения топлива.

• 5.    На основе расчета основных энергетических показателей работы котла БКЗ 75–39ФБ, переведенного на сжигание смеси из балахтинского угля и кородревесных отходов, отмечается снижение основных тепловых потерь и расхода угля, что подтверждает эффективность способа совместного сжигания угля и биомассы и перспективные возможности перехода к ресурсосберегающей и экологически безопасной энергетике.