Повышение экологической безопасности сжигания твердого топлива

Обеспечение принципа энергоэффективности – одно из важнейших условий функционирования и дальнейшего развития современной промышленности. Наиболее важной проблемой в этой области является развитие интенсивного энергоресурсосбережения, поскольку потенци-

• •    реконструкция существующих технологических процессов на принципах построения малоотходных производств и безотходных комплексов;

• •    интенсификация производства полезного продукта при одновременном снижении потребления энергетических и материальных ресурсов в результате использования новых наукоемких технологий.

Типичная ситуация для современных энергетических предприятий с очень низкими экс-ергетическими показателями, в частности, из-за большого недожога, образующегося, как правило, при сжигании твердого топлива. Продукты незавершенного горения, такие как сажа, углерода оксид, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), относятся к канцерогенным веществам [1, 2].

При сжигании углеводородных топлив в топках котлов и печей наряду с процессами окисления происходит их пиролиз. Экспериментальные исследования термического разложения углеводородных топлив показывают их радиально-цепной механизм, инициируемый мономолекуляр-ным разложением исходного углеводорода.

Благоприятные условия образования ПАУ в продуктах сгорания возникают в топках котлов небольшого объема и с высокой степенью экранирования, что характерно для малых энергетических объектов. Определяющим в конечном выходе ПАУ является режим сжигания топлива, т.е. количество окислителя и качество смесеобразования, температурные параметры и время пребывания газов в высокотемпературной зоне. Так, с целью определения качества сжигания топлива на котле № 5 ЗАО «Полюс» были отобраны пробы угля и золы в бункере золоуловителя (на рис. условно названо «золоотвал») и пробы золы после золоуловителя (циклона). С целью определения горючей части в пробах проведены рентгеноструктурный и синхронный термический анализ (прибор STA 449 F1 Jupiter). На рис. 1-3 представлены дифрактограммы образцов (прибор дифрактометр D8 ADVANCE).

Рентгенофазный анализ угля свидетельствует о том, что уголь состоит преимущественно из рентгеноаморфной фазы. Кристаллические фазы присутствуют в незначительных количествах и представлены в основном кварцем SiO₂ ( d = 3,35 А), каолинитом ( d = 4,15; 3,56 А), гипсом-полугидратом ( d = 6,03; 3,00; 1,84 Å), гематитом ( d = 2,70; 2,55 Å), возможно кальцитом CaCO₃. Идентификация кристаллической составляющей затруднена в связи с тем, что линии кристаллических фаз маскируются широким «галообразным» максимумом, характерным для углей. Дифрактограмма пробы золоотвала характеризуется более размытым, широким максимумом, на фоне которого четко просматриваются пики, характерные для кварца SiO₂, ангидрита CaSO₄, гематита Fe₂O₃, полевых шпатов. Дифрактограмма твердых выбросов в атмосферу после сжигания угля схожа с дифрактограммой золоотвала.

Минеральную часть выделяли озолением проб угля, золоотвала и твердых выбросов при 1000 ºC. В процессе сжигания угля (озоления) образуются вторичные минералы в результате процессов дегидратации, декарбонизации и взаимодействия компонентов минеральной части между собой и газообразными продуктами горения. Дифрактограммы минеральной части вышеуказанных проб приведены на рис. 4-6.

Рис. 1

Рис. 3

Таблица 1. Химический состав (мас %)

Наименование	Уголь, минеральная часть	Золоотвал, минеральная часть	Атмосферные выбросы, минеральная часть
SiO 2	32,4	36,82	38,30
CaO	16,95	18,42	18,98
Al 2 O 3	25,87	25,39	24,67
Fe 2 O 3	10,89	10,0	9,76
MgO	3,40	2,18	2,15
SO 3	8,92	5,97	4,99
Na 2 O	0,41	0,34	0,38
K 2 O	0,52	0,43	0,635

Основными фазами указанных проб являются кварц SiO₂, ангидрит CaSO₄, гематит Fe₂O₃, геленит 2CaO Al 2 O 3 SiO 2 , полевые шпаты, муллит 3Al 2 O 3 2SiO 2 , возможно присутствие СаО. Дифрактограммы минеральной части проб угля, золоотвала, твердых выбросов схожи между собой. Химический состав минеральной части проб определен волновыми рентгенофлуоресцентным методом на приборе ARL OPTIM X (фирма Thermo Scientific, Швейцария). Результаты анализа приведены в табл. 1.

Проанализировав результаты экспериментальных исследований, следует отметить, что в пробах золы после золоуловителя и самом бункере золоуловителя присутствует именно углерод топлива. Для уточнения полученных результатов были получены термограммы образцов, представленные на рис. 7-9, которые свидетельствуют о большой потере массы образцов. Так – 380 –

Рис. 4

Рис. 6

Рис. 8

Рис. 9

на пробе золы после золоуловителя (выброс в атмосферу) остаточная масса составляет 55,99 %, значит, углерод топлива в исследуемой пробе составляет 54,01 %. Теоретически его не должно быть совсем.

Полученные результаты исследования позволяют предположить, что при использовании типового технологического оборудования не всегда удается обеспечить высокую эффективность процесса горения. Процессы, протекающие в топке, многообразны, тесно взаимосвязаны, что затрудняет их анализ. Основными топочными процессами являются горение и теплообмен. Вместе с тем аэродинамика топки определяет устойчивость и экономичность этих процессов.

Выводы

В топочном объеме происходят сложные физико-химические изменения составляющих топлива. Свойства и состав конечных продуктов превращения топлива зависят не только от его вида, но и от условий организации топочного процесса (температуры, состава среды, аэродинамических условий, параметров топочного пространства).

Анализ исследований позволяет сделать следующее заключение: для повышения качества сжигания топлива в исследуемом котле необходимо запланировать реконструкцию топки, например, рекомендовать перевести процесс сжигания в кипящий слой, так как образование и рост сажистых частиц зависят прежде всего от наличия достаточного количества окислителя в зоне горения, а также от способа и качества смешения топлива с окислителем (воздухом). В результате будет наблюдаться снижение эмиссии загрязняющих веществ, уменьшится негативное воздействие на окружающую среду и гарантируется экономия углеводородного топлива.