Химия твердого топлива, 2020, № 5, стр. 10-18

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В процессе промышленно-эксплуатационных испытаний котлоагрегатов, выполняемых по третьей категории сложности [18], проводили отбор проб топлива до и после систем пылеприготовления, а также очаговых остатков (золы и шлака). После предварительной подготовки и сокращения отобранных проб исследовался гранулометрический состав угольной пыли и летучей золы с помощью ситового метода и анализатора Retzsch AS 200 Control в соответствии с требованиями ГОСТ 2093-82. Для отобранных проб очаговых остатков, а также каждой фракции летучей золы, выделенной в процессе ситового анализа, определяли содержание горючих веществ в соответствии с ГОСТ 11022-95 и выполняли микроскопические исследования.

Для определения элементного состава разных фракций предварительно высушенной летучей золы использовали рентгенофлуоресцентный спектрометр EDX-8000, принцип работы которого основан на измерении интенсивности флуоресцентного излучения, испускаемого атомами определяемых элементов, содержащихся в исследуемой пробе, под воздействием рентгеновских лучей. Интенсивность излучения пропорциональна содержанию соответствующего элемента. При этом каждый элемент, входящий в состав образца, флуоресцирует на специфической для него длине волны. Прибор позволяет одновременно обнаружить, измерить и зафиксировать интенсивность излучения различных элементов.

При исследовании состава продуктов сгорания использовался газоанализатор электрохимического типа Testo-350 XL. Теплотехнические характеристики исследуемых углей определяли согласно ГОСТ 27314-91, ГОСТ 11022-95 и ГОСТ 6382-2001. Удельную теплоту сгорания измеряли с помощью калориметрической бомбы IKA C 2000 Basic Version 2 с жидкостным криотермостатом LOIP FT-216-25 в соответствии с ГОСТ 147-95.

При определении расходов дымовых газов использовали пневмометрическую трубку системы ВТИ и микроманометр прецизионного прибора Testo-435. Результаты исследования полей скоростей использовали для определения концентраций твердых частиц в дымовых газах и степени их очистки в золоуловителях. При этом применялись методы внешней и внутренней фильтрации, для реализации которых использовалась аспирационная установка ОП-442 ТЦ, пылезаборная трубка, фильтровальные патроны и др.

Вся обработка экспериментальных данных по исследованию работы котлоагрегатов проводилась с помощью многомодульного программно-методического комплекса [19], при этом КПД-брутто определялись по уравнению обратного баланса.

Результаты внедрения ВИР-технологии на котлоагрегатах, оборудованных электрофильтрами. Модернизация котельных агрегатов на основе низкотемпературного вихревого метода организации топочного процесса обеспечивает комплексное повышение технико-экономических и экологических показателей работы [1, 7–14]. Так, при проведении испытаний реконструированных котлов ПК-10 ТЭЦ “Явожно” и ОР-215 ТЭЦ “Пулавы” в Польше было отмечено, что наряду с увеличением КПД котлоагрегатов и снижением эмиссий оксидов азота (рис. 1) наблюдается повышение эффективности работы электрофильтров без их модернизации.

Рис. 1.

Влияние технологии сжигания и нагрузки котлоагрегатов ПК-10 на выбросы оксидов азота по данным ООО “Политехэнерго”: 1 – ст. № 8 СТЭЦ-1 (хакасский уголь, ВИР); 2 – ст. № 4, 8 СТЭЦ-1 (кузнецкий + интинский угли, ВИР); 3 – ТЭЦ “Явожно” (Польша, ВИР); 4 – ТЭЦ “Явожно-2” (Польша, ППФ); 5 – ст. № 5 СТЭЦ-1 (хакасский уголь, ППФ); 6 – ст. № 5 СТЭЦ-1 (кузнецкий + интинский угли, ППФ).

Исследование проб золы, отобранной из-под электрофильтров котла ОР-215 станционный (далее – ст.) № 4 ТЭЦ “Пулавы”, модернизированного на низкотемпературную вихревую схему, и котлоагрегата ст. № 1 (сжигание в ППФ), показало (рис. 2, кривая 2), что летучая зола реконструированного котла имеет более тонкий гранулометрический состав (коэффициент, характеризующий тонкость состава, b = 0.043), что вызвано большим временем пребывания крупных и средних топливных частиц в топке модернизированного котлоагрегата и большей полнотой их выгорания. Более тонкий гранулометрический состав золы на выходе из топки реконструированного котла (рис. 2, кривая 2) обеспечил ей более высокую внешнюю удельную поверхность [9]. Аналогичные результаты были получены при исследовании летучей золы, образующейся при сжигании березовского угля в котлоагрегатах с ППФ- и ВИР-технологией [1].

Рис. 2.

Гранулометрический состав золы из-под электрофильтров котлоагрегата ст. № 1 с ППФ (штриховка) и № 4 с ВИР-технологией (заливка) ТЭЦ “Пулавы”: (а) – фракционные остатки, (б) – интегральные зерновые характеристики для котла с ППФ (1), с ВИР-технологией (2).

Сравнительный анализ показал, что увеличение внешней удельной поверхности летучей золы при ВИР-технологии сжигания наблюдается не только при соизмеримой тонкости помола топлива, но и при более грубом помоле для ВИР-технологии [1]. Из результатов изучения микроструктуры летучей золы видно, что это происходит за счет меньшей степени оплавленности и большей рельефности золовых частиц, что объясняется снижением уровня максимальных температур в топочных камерах модернизированных котлов на 150–200°С и температур на выходе из нее на 80–120°С [9, 10].

В зоне короны электрофильтров образуются газовые ионы различной полярности. Золовые частицы вследствие адсорбции на их поверхности газовых ионов приобретают соответствующий электрический заряд и под действием сил электрического поля движутся к электродам и осаждаются на них. Исследование формы золовых частиц, выполненное с помощью микроскопа, показало, что особенно существенное различие в форме наблюдается для золовых частиц размером 50 ≤ х < 100 мкм [10]. Для котла ст. № 1 с обычной камерной топкой частицы золы данного размера имеют форму сферическую или близкую к ней. Частицы летучей золы тех же фракций модернизированного котлоагрегата имеют менее правильную форму и большую внешнюю удельную поверхность. С увеличением размеров золовых частиц степень правильности формы уменьшается и различия в форме частиц летучей золы для котлов ст. № 1 и № 4 сглаживаются. Повышение адсорбционной способности золовых частиц за счет увеличения внешней удельной поверхности позволяет им воспринимать больший электрический заряд, что повышает скорость дрейфа частиц к осадительным электродам.

Сильное влияние на скорость дрейфа частиц оказывает и поверхностное удельное электрическое сопротивление золы. Для обеспечения эффективной работы электрофильтров этот параметр должен быть в пределах 10⁷–10⁹ Ом см [17].

Частицы золы способны адсорбировать на своей поверхности и присутствующие в газе компоненты, обладающие низким удельным сопротивлением, прежде всего пары воды и оксиды серы. Процесс адсорбции резко усиливается, а удельное сопротивление падает, когда температура продуктов сгорания приближается к точке росы. Модернизация котлоагрегатов на низкоэмиссионную схему позволила снизить температуру уходящих газов на 40–50°С, что интенсифицировало процесс адсорбции паров воды и диоксида серы поверхностью золовых частиц и обеспечило снижение ее удельного сопротивления. Однако для исключения коррозии температура дымовых газов на входе в электрофильтр должна превышать температуру точки росы не менее чем на 5°С [17]. Как показали исследования поверхностного удельного сопротивления летучей золы, образующейся при сжигании углей шахты Богданка в котлах ОР-215 ТЭЦ “Пулавы” [20], перевод котлоагрегатов на ВИР-технологию сжигания обеспечил значительное снижение удельного сопротивления золы (рис. 3).

Рис. 3.

Влияние технологии сжигания углей шахты Богданка на поверхностное электрическое сопротивление золы [17]: 1 – зола котлов с ВИР-технологией; 2 – зола котлов с ППФ ТЭЦ “Пулавы”.

Снижение температуры уходящих газов, организация эффективного сгорания топлива при сверхмалых избытках воздуха в топке позволили снизить скорость газов в активной зоне фильтра, что также оказало существенное влияние на степень очистки газов. Максимальная эффективность очистки достигается при скоростях газов 0.5–1.5 м/с и времени пребывания газа в активной зоне электрофильтра не менее 8 с [17].

Внедрение ВИР-технологии на котлоагрегатах, оборудованных золоуловителями мокрого типа. На Северодвинской ТЭЦ-1 (СТЭЦ-1) установлены угольные котлоагрегаты Е-220/100 (ПК-10), обеспечивающие выработку перегретого пара давлением 10 МПа и температурой 540°С. Они оснащены индивидуальными системами пылеприготовления, оборудованными шаровыми барабанными мельницами, питателями пыли, промежуточными бункерами угольной пыли и др. Котельные агрегаты имеют сухое шлакоудаление, естественную циркуляцию рабочей среды и П-образную компоновку. Каждый котел оборудован угловыми горелочными устройствами с тангенциальной компоновкой и мокрыми золоуловителями МП–ВТИ с горизонтальными трубами Вентури. При сжигании сильношлакующего интинского каменного угля, а также его смесей с другими углями наблюдалось интенсивное шлакование радиационных поверхностей нагрева топки, а также фестона, что ограничивало нагрузку котлов по условиям шлакования и вызывало недовыработку тепловой и электрической энергии. Кроме этого, сжигание каменных углей по схеме ППФ вызывало интенсивную генерацию оксидов азота.

Для устранения данных недостатков была проведена модернизация котлоагрегатов ст. № 4, 6, 8 СТЭЦ-1 на ВИР-технологию сжигания. Для создания многократной принудительной циркуляции крупных и средних топливных частиц в нижней части топочной камеры были модернизированы горелочные устройства и в шлаковом бункере смонтировано устройство нижнего дутья, состоящее из сопла и дефлектора, при этом была реализована “пропеллерная” схема [9, 14].

Промышленно-эксплуатационные испытания котлоагрегатов ПК-10 СТЭЦ-1, реконструированных на ВИР-технологию сжигания, показали снижение выбросов оксидов азота в 3.5–4 раза (рис. 1), а также значительное уменьшение шлакования фестона и радиационных поверхностей нагрева топочных камер [9, 14]. Кроме этого, было отмечено увеличение КПД брутто модернизированных котлоагрегатов (в среднем на 1.0%). Повышение экономичности работы данных котлов объясняется несколькими причинами: – переводом на ВИР-технологию сжигания угля, позволившую уменьшить потери тепла с уходящими газами и механическим недожогом топлива; – проведением капитальных ремонтов котлоагрегатов; – поставкой топлива более высокого качества.

Исследование проб летучей золы, отобранных из-под золоуловителей котлоагрегатов с ВИР-технологией сжигания и с традиционной схемой ППФ при сжигании угольной пыли (коэффициент полидисперсности n = 0.823; b = 0.0365, R₉₀ = = 18%), показало, что летучая зола реконструированного котла (ст. № 6) имеет более тонкий гранулометрический состав (b = 0.107), что обеспечило ей большую величину наружной удельной поверхности (рис. 4). Дополнительное увеличение внешней удельной поверхности летучей золы обеспечивается за счет меньшей оплавленности и большей рельефности золовых частиц при ВИР-технологии сжигания, что было подтверждено результатами сравнительной микроскопии (рис. 5).

Рис. 4.

Гранулометрический состав золы из-под золоуловителей МП–ВТИ котлоагрегата ст. № 9 с ППФ (штриховка) и № 6 с ВИР-технологией (заливка) СТЭЦ-1: (а) – фракционные остатки, (б) – интегральные зерновые характеристики для котла с ППФ (1), с ВИР-технологией (2).

Рис. 5.

Форма и рельеф наружной поверхности золовых частиц для котлоагрегатов с ППФ (а), (в), (д) и ВИР-технологией сжигания (б), (г), (ж): (а), (б) – зола с размером частиц х < 45; (в), (г) – 45 ≤ х < 63; (д), (ж) – 63 ≤ х < 125 мкм.

Результаты микроскопии золы-уноса показали (рис. 5), что особенно существенное различие в форме наблюдается для частиц размером 0 < х < < 125 мкм. Для котла с ППФ частицы золы данного размера имеют форму сферическую или близкую к ней. Частицы летучей золы тех же фракций котлоагрегата с ВИР-технологией имеют менее правильную форму и большую наружную поверхность.

С увеличением размеров золовых частиц степень правильности формы уменьшается и различия в форме частиц сглаживаются, однако рельефность наружной поверхности золовых частиц котлоагрегата с ВИР-технологией остается существенно больше.

Для определения доли отдельных фракций летучей золы в величине суммарной потери тепла с механическим недожогом топлива был выполнен пофракционный анализ золы на содержание горючих веществ. Исследования проводились при работе котлов на смеси интинского (63% по массе) и кузнецкого (37%) каменных углей и показали, что для котлоагрегата с традиционной схемой сжигания с увеличением размера частиц содержание горючих увеличивается (рис. 6, а). Однако определяющее влияние на величину механического недожога оказывает содержание горючих веществ в частицах 63 ≤ х < 500 мкм (рис. 6, б).

Рис. 6.

Содержание горючих веществ в летучей золе котлов ст. № 9 с ППФ (штриховка) и ст. № 6 с ВИР-технологией (заливка) СТЭЦ-1: (а) – содержание горючих веществ по фракциям; (б) – содержание горючих веществ с учетом массовых долей различных фракций.

Особенности аэродинамики котлоагрегата с ВИР-технологией сжигания сказываются на характере выгорания топлива, при этом определяющую роль на величину механического недожога оказывает содержание горючих веществ в частицах менее 250 мкм (рис. 6, б). Суммарное содержание горючих веществ в летучей золе котла с ВИР-технологией составило ${\text{C}}_{{{\text{ун}}}}^{{\text{г}}}$ = 6.67%, а для котлоагрегата с ППФ –12.90%.

Результаты испытаний модернизированных котлоагрегатов СТЭЦ-1 показали, что степень очистки дымовых газов в золоуловителях МП–ВТИ увеличилась на 0.2%. При этом скорость дымовых газов в горловине трубы Вентури уменьшилась в среднем на 15–18%. Увеличение степени очистки может быть объяснено более тонкодисперсным гранулометрическим составом летучей золы котлов с ВИР-технологией сжигания. Повышение фракционной степени очистки газов с уменьшением размера золовых частиц при разных скоростях газов в горловине и степени орошения было выявлено при испытаниях центробежных скрубберов Вентури на Верхнее-Тагильской и Серовской ГРЭС, Безымянской ТЭЦ и Ярославской ТЭЦ-2 [21].

Выбросы тяжелых металлов с летучей золой котлов. В химическом составе неорганического вещества угля выделяются две группы элементов. Первая группа – главные золообразующие элементы: Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, S, P – на их долю в углях приходится ∼99% всей массы неорганического вещества. Вторая группа – микроэлементы, составляющие обычно не более 1% всего неорганического вещества угля. В соответствии с геохимической классификацией, по концентрированному признаку к микроэлементам относят: собственно малые элементы 0.1–0.001% (B, F, Cl, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, As, Zr, Ba, Pb), редкие 0.001– 0.00001% (Li, Be, Sc, Co, Ga, Ge, Se, Sr, Br, Y, Nb, Mo, Cd, Sn, Sb, Cs, La, Yb, W, Bi, U, Hg) и ультраредкие с содержанием менее 0.00001% (Ag, Re, Au, Pt) [22]. При использовании углей происходит накопление значительных количеств опасных элементов, оказывающих существенное негативное влияние на человека и окружающую среду, в первую очередь тяжелых металлов, обладающих токсичными, канцерогенными и мутагенными свойствами. Тяжелые металлы способны усиливать негативные свойства в присутствии друг друга. При этом значительная часть микроэлементов, содержащихся в углях, поступает в атмосферу не с золой, а с субмикронными аэрозолями или в газообразной фазе, которые практически не улавливаются электрофильтрами [22]. Так, при выгорании органического вещества угля происходит испарение металлов, содержащихся в угле, часть из которых конденсируется на аэрозолях и улетучивается с дымовыми газами. Другая часть испарившегося металла конденсируется на частицах летучей золы.

В соответствии с [6] при сжигании углей в атмосферу поступает в среднем не менее 10% общей массы, содержащихся в них Al, Co, Fe, Mn, Na, Se; 30% – Cr, Cu, Ni, V; 50% – Ag, Cd, Pb, Zn; 100% – As, Br, Cl, Hg, Sb и Sc. Расстояния, на которые могут разноситься частицы золы-уносов и осаждение их вместе с атмосферными осадками, зависит от физических свойств золы, погодных условий, розы ветров и т.д. Частицы диаметром 10 мкм и более осаждаются довольно быстро, и их воздействие проявляется в непосредственной близости от источника на расстоянии до 3 км. Частицы размером менее 10 мкм и особенно 2.5 мкм могут преодолевать сотни километров и воздействуют на все компоненты окружающей среды [2].

Тяжелые металлы сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся, приводя к повышенному их содержанию по сравнению с фоновым уровнем [2]. При увеличении числа взвешенных частиц, выбрасываемых ТЭС в воду, возникает угроза жизнедеятельности представителей водной фауны. Высвобождение из пылевых частиц потенциально опасных элементов As, B, Mo, Se, Sr, V в воду и почву приводит к накоплению их в сельскохозяйственных растениях, и они могут попасть в организм животных и человека.

Отбор золоводяной пульпы проводился в период проведения промышленно-эксплуатационных испытаний котлоагрегатов СТЭЦ-1 в соответствии с РД 153-34.1-27.301-2001 при паропроизводительности, близкой к номинальной. Элементный состав разных фракций летучей золы определялся с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра EDX-8000. В процессе экспериментов было определено содержание 22 элементов, однако в соответствии с поставленными задачами в табл. 1, 2 приведены содержания только тяжелых металлов. Для проведения сравнительного анализа содержание тяжелых металлов в летучей золе котла с ППФ скорректировано с учетом различия в содержании горючих веществ в золе котлоагрегатов с ППФ- и ВИР-технологией. Из полученных результатов видно, что суммарное содержание тяжелых металлов в летучей золе котла с ВИР-технологией почти на 23% меньше, чем для котла с ППФ.

Содержание тяжелых металлов в летучей золе, независимо от схемы сжигания топлива, повышается с уменьшением размера частиц (табл. 1, 2), что, очевидно, связано с увеличением наружной удельной поверхности мелких частиц. Исходя из этого, следует ожидать, что мелкая зола, не уловленная золоуловителями ТЭС, содержит больше токсичных микроэлементов, чем средняя по составу зола исходного топлива [22].

По результатам исследования содержания тяжелых металлов в различных фракциях летучей золы были рассчитаны их выбросы в атмосферный воздух с частицами золы, не уловленными в золоуловителях МП–ВТИ с горизонтальными трубами Вентури (табл. 3). При выполнении расчетов использовались данные по содержанию тяжелых металлов для частиц менее 45 мкм, значения КПД котлоагрегатов при нагрузках, близких к номинальной, и полученные степени очистки газов в золоуловителях СТЭЦ-1. Удельные выбросы тяжелых металлов с мелкими частицами золы, не уловленными золоуловителями, отнесенные к 1 кВт · ч выработанной энергии для котлоагрегата с ВИР-технологией, на 38.2% меньше, чем для котла с традиционной схемой сжигания в ППФ. Это объясняется более высоким КПД котлоагрегата с ВИР-технологией и степенью очистки газов в его золоуловителях, а также меньшим содержанием тяжелых металлов в летучей золе. Содержание тяжелых металлов в золе и шлаке, выводимом из топки котлоагрегата с ВИР-технологией через шлаковый комод, увеличилось.

Сравнение содержания тяжелых металлов в золе-уноса с размером частиц менее 45 мкм, выбрасываемой в атмосферный воздух котлами с ППФ, с фоновыми значениями для пахотных почв Северо-Запада России [23], показало, что имеет место значительное превышение фоновых значений: по цинку в 3.3; меди – 33.2; никелю – 28.2; марганцу – 2.7; хрому – 19.4 раза медианных значений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Угольные электростанции – серьезный источник загрязнения окружающей среды вследствие выбросов вредных веществ в газообразном и твердом виде. При этом в золошлаковых отходах и летучей золе, выбрасываемой с дымовыми газами в атмосферный воздух, происходит концентрация тяжелых металлов и других вредных веществ. Внедрение низкоэмиссионных схем сжигания твердого топлива: в топках с КС, ЦКС и в топках с низкотемпературным вихрем (НТВ или ВИР-технология), позволяет значительно снизить воздействие угольных ТЭС на окружающую среду. При этом ВИР-технология предназначена для всего действующего парка котельных установок и может быть реализована в сроки плановых ремонтов. Промышленно-эксплуатационные испытания котлоагрегатов, реконструированных на ВИР-технологию сжигания, показали снижение выбросов оксидов азота в 3.5–4 раза, значительное уменьшение загрязнения поверхностей нагрева, увеличение КПД котлов и эффективности работы электрофильтров и золоуловителей мокрого типа без их модернизации. Сравнительный анализ летучей золы котлоагрегатов с ППФ и ВИР-технологией показал, что для ВИР-технологии сжигания она имеет более тонкодисперсный гранулометрический состав, меньшую оплавленность и большую рельефность золовых частиц, что вызвано большим временем пребывания крупных и средних топливных частиц в топках модернизированных котлоагрегатов и большей полнотой их выгорания, а также меньшим уровнем максимальных температур в топочных камерах на 150–200°С.

Исследования влияния степени выгорания горючих веществ в различных фракциях летучей золы показали, что для котлов с ППФ определяющее влияние на величину механического недожога оказывает содержание горючих веществ в частицах размером 63 ≤ х < 500 мкм, а для котлоагрегатов с ВИР-технологией – в частицах менее 250 мкм, что связано с особенностями аэродинамики и выгорания топлива.

Определение содержания тяжелых металлов в различных фракциях летучей золы, выполненное с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра, показало, что суммарное содержание тяжелых металлов в летучей золе котлоагрегатов с ВИР-технологией существенно меньше, чем для котлов с ППФ. Удельные выбросы тяжелых металлов с мелкими частицами золы, не уловленными золоуловителями, отнесенные к единице выработанной энергии для котлоагрегата с ВИР-технологией, на 38.2% меньше, чем для котла с традиционной схемой сжигания в ППФ. Это объясняется более высоким КПД котла и степенью очистки газов в его золоуловителях, а также меньшим содержанием тяжелых металлов в летучей золе. Сравнение содержания тяжелых металлов в летучей золе, выбрасываемой в атмосферный воздух котлами с ППФ, с фоновыми значениями для пахотных почв Северо-Запада России, показало, что имеет место значительное превышение фоновых значений.