Формування та характеристики пилокутної летючої золи

Юрій Калиновський 2 років тому Переглядів:

2 зультате утворюються відкладення, склад, швидкість формування та властивості яких відрізняються. У комп'ютерних програмах освіти та зростання відкладень оцінюється здатність кожної індивідуальної частки до закріплення методом "частка за частинкою, particle-by-particle". Для зручності аналізу частки леткої золи можна об'єднати групи по участі у формуванні відкладень. Наприклад, у імовірнісній моделі шлакування УралВТИ [2] використано поділ частинок на 4 групи: матричні, липкі, інертні та абразивні, де під матричними розуміються частинки, що закріплюються на не липкій поверхні. Зміна частки кожної групи частинок показано на рис. 2 за даними склад індивідуальних частинок летючої золи бородинського вугілля. Мал. 2. Зміна частки часток різного типу в залежності від температури (розрахунок за розподілом хімічного складу та розміром індивідуальних частинок летючої золи бородинського вугілля). Відомості про склад та розміри індивідуальних частинок летючої золи, що використовуються в математичних моделях шлакування, оцінюються за даними про розподіл мінеральних включень у вугіллі та уявлень про механізми утворення летючої золи. Безпосередньо, переважно для тестування програм оцінки, склад та розміри індивідуальних частинок летючої золи визначаються за допомогою електронної скануючої мікроскопії, скомпонованої з комп'ютером, наприклад технологія CCSEM. Механізми формування летючої золи. При горінні вугілля його неорганічні компоненти зазнають значних фізичних та хімічних перетворень, глибина яких залежить від властивостей вугілля та характеристик процесу. У літературі розглядаються кілька основних механізмів формування летючої золи, наприклад [3, 4]: коалесценція (об'єднання окремихмінералів) внутрішньої мінеральної частини в частині вугілля, що горить (рис. 3а); фрагментація палаючої частки з частковим об'єднанням внутрішньої золи (рис. 3б). Термін фрагментація поєднує сукупність різних процесів, в результаті яких утворюється більш ніж одна частка летучої золи з однієї частки, що горить. У деяких роботах розглядається окремо фрагментація частинок у процесі виходу летких та фрагментація при вигоранні нелетючого залишку [5] ; фрагментація (дроблення) мінеральної частини зовнішньої золи, 49

3 сублімація, випаровування селективних компонентів з наступною конденсацією у вигляді гомогенних дрібних частинок або з утворенням плівок (покриттів) на поверхні інших частинок. Крім випаровування окремих металів також розглядається механізм випаровування та конденсації їх солей, таких як Na 2 SO 4, KCl, K 2 SO 4 [6]. - винесення об'єднань частинок, що раніше закріпилися. Мал. 3. Схема утворення летючої золи шляхом коалесценції (а) та фрагментації (б). Додамо до цього переліку процес перерозподілу частинок між летючою золою та шлаком, взаємодії частинок з газовою фазою (сульфатизація, окислення), зміна фазового складу (плавлення, кристалізація та перекристалізація). Характерний результат таких перетворень проявляється у формуванні багатомодальної за розмірами летючої золи, окремі частинки якої більші за частинки вихідних мінералів у вугіллі та інші дуже тонкі субмікронні рівні. Основна маса летючої золи формується шляхом коалесценції внутрішньої золи та фрагментації зовнішньої. Деякі тугоплавкі мінерали зовнішньої золи, наприклад кварц -SiO 2, при температурах, що розвиваються в топці, не плавляться і зберігають вихідний фазовий склад і неправильну форму. Однак, при високих температурах силікатні та алюмосилікатні частинки, що становлять більшість вмінеральної частини, в контакті з іншими розплавленими і частинками, що конденсуються, утворюють в основному розплавлені склоподібні сфери або аморфні утворення. Роль тієї чи іншої механізму освіти основної маси летучої золи, очевидно не однакова для різних вугілля. Зокрема практично не спостерігається фрагментації при спалюванні бурого вугілля, що має низьку схильність до спукування. Зі зростанням марки вугілля в ряду від бурого 50

4 до антрациту рівень фрагментації зростає аж до кам'яного високореакційного (бітумінозного з високим виходом летких). Зі зростанням зольності спостерігається тенденція до зниження рівня фрагментації [5]. Схильність нелетючого залишку до фрагментації з більшим чи меншим успіхом оцінюється за різними показниками і часто просто враховується тип вугілля. У деяких випадках для оцінки використовується індекс спучування вугілля, що сповільнює показник його спекаемости, що визначається за зміною обсягу або форми. Основним механізмом формування найбільш дрібної субмікронної частини летючої золи вважається звільнення органомінеральних металів з органічних сполук у процесі піролізу вугілля, випаровування солей (сульфатів, хлоридів) та звільнених металів та їх конденсація при зниженні температури газового потоку. Такий механізм обґрунтовується залежністю кількості субмікронної фракції від умов спалювання та, насамперед, від температури горіння, а також характерністю розмірів частинок для умов зародка утворення та подальшої агломерації [3, 5, 7, 8]. Більші частинки субмікронного рівня і розміром одиниці мікрона в основному формується при горінні нелетючого залишку вугільних частинок (char, частинок проміжного продукту горіння) за рахунок їх фрагментації [3, 8] і в меншій мірі залежать від температури горіння. Субмоделі формування летючоїзоли. Як зазначалося, для прогнозування розмірів і характеристик летючої золи в основному як вихідні дані використовують відомості скануючої електронної мікроскопії CCSEM про склад і розміри мінеральної частини в куті. Зазначимо, що навіть цих даних, доповнених хімічним фракціонуванням для визначення органічно пов'язаних металів, мало для коректного прогнозування (рис. 4). Мал. 4. Фракційний склад летючої золи [6]. 1 - прогнозування без урахування коалесценції (кожне мінеральне утворення у вугіллі утворює окрему частинку летючої золи), 2 реальна зола, 3 прогнозування при прийнятті повної коалесценції мінеральної частини в частинці пилу (об'єднання всіх мінеральних включень). Для отримання результатів прогнозування ближчих до реальних у субмоделях формування летючої золи додатково використовуються емпіричні відомості про процеси дроблення, об'єднання та випаровування мінеральної частини, що відрізняється для вугілля різних типів та ступеня метаморфізму. Так, наприклад, у імовірнісній моделі коалесценції (Random Coalescence, RC) для оцінки фракційного складу додат- 51

5 але враховується різний тип вугілля [9]; у методі [10] їх реакційні властивості. В, мабуть, найбільш повної моделі Atran, розробленої в EERC [11], як вихідні дані використовуються: розмір, склад і кількість мінеральних включень у вугіллі, знаходження мінеральних домішок у вугільній частинці або поза нею (за даними електронної мікроскопії скомпонованої з комп'ютером CCSEM ), середній склад золи, елементний склад та масова кількість неорганічних елементів, пов'язаних з органікою. Також використовуються дані про конструкцію та режими роботи котла. У моделі враховуються процеси випаровування конденсації, коалесценції мінеральної частини та часткової коалесценції,шлакоутворення, фрагментації палаючого нелетючого залишку та мінералів. Доповнення експериментальних даних з розподілу мінеральних включень у вугіллі емпіричними залежностями їх перетворення при горінні дозволяє отримати хорошу відповідність для конкретних вугілля, що вивчалося. Для довільного вугілля та топкових умов прийнятне кількісне прогнозування, мабуть, поки що не забезпечується. Така ситуація, у тому числі, пов'язується з відмінностями перетворення одного і того ж вугілля в різних топках та умовах. Зокрема, склад та розподіл летучої золи залежить від перерозподілу мінеральної частини вугілля між шлаком та винесенням. Перерозподіл між шлаком та винесенням. У камері топки частина найбільшої і важкої летючої золи сепарує в холодну вирву; досягли поверхні стін і здатні закріплюватися частинки, у тому числі дрібні, що утворюють пухкий шар видаляються у вигляді шлаку та агломератів частинок. Якщо не торкатися циклічних камер, що не отримали в енергетиці широкого поширення, частка мінеральної частини вугілля, що видаляється через холодну воронку і у вигляді шлаку (коефіцієнт шлаковидалення а шл) в традиційних топках не перевищує 15%. При видаленні частини мінеральних домішок у вигляді шлаку середній хімічний склад летючої золи, як і шлаку, що видаляється, може відрізнятися від складу золи вугілля (золи лабораторного озолення), що необхідно враховувати при аналізі шлакуючих та інших властивостей летючої золи і шлаку. У той же час, при великій кількості досліджень у промислових умовах та на стендах відсутні визнані широким колом дослідників алгоритми обліку або навіть оцінки результатів перерозподілу мінеральної частини між шлаком та винесенням за широко доступними даними для довільно обраного палива. Очевидно, це, перш за все, вказує нанедостатність широко доступних даних для подібного аналізу, а також на залежність результату від досить великої кількості зовнішніх факторів (режим пилоприготування та спалювання, характеристика камери топки, в тому числі умови агломерації 52

7 зольності менш ніж на 2-4%, що менше коливань зольності, що реально спостерігаються. Наведена на малюнках 6-7 добірка результатів з промислових котлів підтверджує результати наведеного аналізу, у тому числі висновок про те, що закономірний перерозподіл складу летючої золи і золи вугілля менше, ніж коливання складу через мінливість зольності і складу золи надходить з. Також підтверджується можливість помітного перерозподілу складу летючої золи та золи малозольного вугілля. Мал. 6. Різниця вмісту компонентів R n O m = R n O винесення m - R n O вугілля m (а) і RO (б) у виносі та золі вугілля при різному співвідношенні кислих та основних компонентів у золі вугілля. У наведеному простому теоретичному аналізі, крім реального співвідношення механізмів фрагментації та коалесценції, не враховувався ряд процесів, таких як можливість фрагментації компонентів зовнішньої золи, наприклад, розкладання карбонатів або фрагментації та вигоряння піриту. Ці процеси істотно впливають на перерозподіл заліза, і в літературі містяться суперечливі результати та їхнє трактування. Так, по [12] характерним є збагачення шлаку залізом (зменшення в летючій золі) при спалюванні як бурого, так і кам'яного вугілля, що логічно, оскільки в шлак сепарують найбільші і важкі частинки. Протилежні результати, що спостерігалися, наприклад, при спалюванні ірша-бородинського вугілля, в [12] пояснюються тим, що залізо в їх мінеральній частині знаходиться переважно у формі сидериту (FeCO 3 ). На відміну від цього у ряді публікацій наводитьсядумка про можливу значну фрагментацію не тільки сидериту, а й піриту в процесі часткового окислення та утворення пірротину (Fe x S 1 x ), наприклад [13]. Відомо також, що пірит у вугіллі має різноманітні розміри та морфологію [14]. Розмір піриту змінюється від дрібних тісно пов'язаних з органічною речовиною включень, зокрема, у формі сферичних тіл - фрамбоїдів діаметром 0,5-1,5 мкм до великих кристалічних піритних прожилок (тисячі мкм). У використаній сукупності даних отримано не збіднення, а збагачення летючої золи залізом у дослідженнях, виконаних при 54