Теплофизические процессы и физико-химические превращения минеральной части Канско-Ачинских углей в технологиях топливосжигания

Энергетическое освоение канско-ачинских углей (КАУ) на протяжении нескольких десятилетий остается в ряду наиболее актуальных проблем топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны. Прежде всего это определяется уникальностью угольного бассейна, заключающейся в сочетании колоссальных запасов, удобного географического положения угленосных площадей, благоприятных горно-геологических условий залегания и строения угольных пластов, кондиционных свойств угля, в том числе с учетом потенциальных выбросов в окружающую среду, что создает предпосылки получения одного из самых дешевых натуральных топлив.

Энергетическая стратегия России на период до 2020 года отводит Кан-ско-Ачинскому бассейну (КАБ) наряду с Кузбассом статус федерального значения в обеспечении энергетической безопасности и социально-экономического развития страны и ее регионов [1]. При всех сценариях реформирования и модернизации ТЭК роль КАБ будет возрастать. Благодаря созданному ранее мощному заделу в развитие угольных разрезов сохраняется важное для современных условий и ближайшей перспективы преимущество использования КАУ — самые низкие эксплуатационные затраты на добычу и возможность поставки угля стабильного качества в достаточных объемах [2].

Угли большинства месторождений КАБ относятся к бурым гумусовым углям марок Б1, Б2 и БЗ. Влажность углей изменяется по угленосным площадям от = 24% для Большесырского месторождения до Wr = 44% для Бого-тольского месторождения [3]. При длительном пребывании на воздухе угли быстро теряют влагу, куски топлива самопроизвольно растрескиваются и рассыпаются в мелкую пыль. Большая влажность обуславливает также склонность углей к смерзанию при перевозке на большие расстояния в зимнее время.

По средним показателям угли бассейна являются малозольными: средняя зольность сухой массы находится в пределах Аа = 7. 12% [3]. Вместе с тем на каждом месторождении имеются участки, где зольность угля значительно отличается от средней величины [4−11].

Механическая прочность КАУ характеризуется диапазоном значений коэффициента размолоспособности Кло от 1,1 (Болылесырское месторождение) до 1,4 (Барандатское и Боготольское месторождения). Элементный состав горючей массы по месторождениям мало отличается и в целом благоприятен для энергетического сжигания углей. Выход летучих веществ для сухого беззольного состояния составляет 44.48%, а теплота сгорания в калориметрической бомбе Qg = 27.30 МДж/кг [3]. В соответствии со значительными расхождениями по влажности низшая теплота сгорания КАУ находится в пределах Q[ = 11,81. .19,05 МДж/кг.

Большой выход летучих веществ в сочетании с их высокой теплотой сгорания (Q[ лет > 20 МДж/кг) позволяет относить КАУ к числу наиболее реакционно-активных натуральных твердых топлив. С одной стороны, это обеспечивает легкое воспламенение и выгорание угля в топках котлов при применении достаточно простых горелочных устройств и аэродинамических схем, не требуя особо тонкого измельчения перед сжиганием, что выгодно отличает КАУ от многих твердых топлив. С другой стороны, высокая реакционная способность является причиной склонности КАУ к самовозгоранию при хранении на угольных складах и определяет высокую взрывоопасность угольной пыли, что увеличивает эксплуатационные затраты и снижает надежность работы систем пылеприготовления.

Главным отличием состава золы КАУ от многих других бурых углей России является очень высокое содержание основных оксидов, прежде всего СаО, которое может достигать более 60% в углях с наименьшей зольностью [6, 11]. Для состава золы КАУ характерной особенностью является также его зависимость от величины зольности угля, выражающаяся в убывании содержания основных и возрастании кислотных оксидов по мере увеличения зольности. Такая закономерность изменения состава объясняется принадлежностью основных и кислотных оксидов золы к разным по происхождению минералогическим составляющим, из которых складывается золообразующая часть топлива [12].

В соответствии с такими особенностями состава золы находится и изменение характеристик ее плавкости: от чрезвычайно тугоплавкой до легкоплавкой. Это объясняется тем, что при изменении соотношения основных и кислотных компонентов во всем встречающемся диапазоне зольности КАУ одни и те же оксиды могут определять тугоплавкость золы (при высоком содержании) или играть роль «плавня» [8].

Своеобразия состава и свойств золы проявились в серьезнейших затруднениях в практике использования КАУ в энергетике, прежде всего в шлаковании, а также интенсивно прогрессирующих и трудноудаляемых загрязнениях тепловоспринимающих поверхностей паровых котлов. Инициированная этим эволюция котельно-топочного оборудования тепловых электростанций (ТЭС) проходила в противоречиях, которые в целом объясняются изначальным отставанием развития научного обеспечения. Сформировавшаяся в связи с этим потребность в целенаправленном изучении свойств минеральной части (МЧ) КАУ, несмотря на несомненные успехи, в отдельных направлениях не исчерпана до сих пор. Тем самым многократно подтверждена справедливость мнения [12, 13] о том, что решение проблемы загрязнения поверхностей нагрева при сжигании углей КАБ требует всестороннего изучения исходного минералогического состава и процессов физико-химических превращений при горении, поскольку это повысит достоверность результатов прогнозирования трансформации МЧ в топочном процессе.

Изменения экономической ситуации и условий ценообразования создали в энергетике тенденции усиления напряженности топливного баланса и регионального дефицита энергетических мощностей, что также обостряет необходимость изучения основных закономерностей влияния МЧ на работу оборудования ТЭС при освоении КАУ как замещающего топлива.

По совокупности свойств натуральные КАУ оказываются экономически непригодными для массовой перевозки на большие расстояния. А местное использование их для традиционной технологии энергетического производства существенно осложнено проявлениями специфических свойств практически на всей «технологической цепочке»: от складирования и топливо-приготовления до газоочистки и золоудаления.

По этим причинам актуальным является получение из КАУ различных, так называемых «облагороженных» твердых топлив, обладающих повышенной теплотой сгорания и создающих вследствие этого технико-экономические основания для улучшения их транспортабельности [14, 15]. К числу вариантов расширения подобным образом сферы энергетического использования КАУ относятся способы термической переработки в энергетических установках с получением полукокса по схеме ЭНИН [14], термоугля по схеме ИГИ, автоклавированного угля, сушонки, брикетов и гранул [15]. Учитывая многообразие механизмов влияния золы на работу топливосжигающих установок, исследования физико-химических процессов и свойств минеральных компонентов для продуктов переработки КАУ с учетом термических воздействий выдвигаются в ряд необходимых элементов обеспечения условий их энергетического использования.

Изложенные выше основания необходимости изучения преобразований минеральных компонентов в различных технологических процессах использования КАУ усиливаются выходом на передний план проблемы улучшения экологических характеристик энергетических объектов [16]. В число приоритетных для использования КАУ концепций по направлению «Экологически чистая тепловая электростанция», разрабатываемому в составе государственной научно-технической программы «Экологически чистая энергетика», входят проекты, предполагающие внутрицикловую термическую обработку угля [17]. В частности, к ним относятся: парогазовые установки с внутрицикловой газификацией под давлением, а также с частичной газификацией в результате пиролизапаротурбинные установки с предварительным подогревом угольной пыли до температуры более 500 °C. Разрабатываются технологии топли-восжигания с привнесением в состав котельных установок глубокого термохимического воздействия на топливо в стадии подготовки, которое может изменять физико-химическое и даже агрегатное состояние минеральной части [18−21].

Кроме того, следует отметить, что непременным условием реализации каждой технической концепции по направлению «Экологически чистая тепловая электростанция» является обеспечение утилизации отходов производства ТЭС, в том числе разработка и внедрение технологий эффективного извлечения из золы и шлаков ценных компонентов. В связи с этим очевидно, что исследования преобразований МЧ КАУ в различных условиях сжигания и термической обработки надо рассматривать как необходимый элемент развития направления экологически чистой ТЭС.

Таким образом можно выделять, как минимум, две крупные проблемы современного освоения КАУ для энергетических целей с учетом свойств МЧ. Во-первых, сформировалась потребность в выделении комплекса теплофизи-ческих процессов при физико-химических превращениях МЧ как физической основы совершенствования технологий энергетического использования КАУ. Во-вторых, требуется разработка экспериментально обоснованной прогностической модели теплофизических процессов в МЧ углей применительно к технологиям теплотехничекого сжигания. Данные аспекты проблемы являются целеполагающими для настоящей работы.

Цель работы в связи с этим определена как разработка физических основ превращений минеральной части КАУ в топливном и газовом трактах установок топливосжигания на основе экспериментального исследования теплофизических процессов и обоснование направлений их применения для совершенствования технологий теплотехнического использования углей.

В соответствии с этим на защиту выносятся следующие основные положения, совокупность которых составляет новое решение актуальной проблемы разработки теплотехнических основ энергетического использования КАУ с учетом свойств МЧ:

— результаты экспериментальных исследований физико-химических превращений компонентов МЧ при термической подготовке и сжигании угля, в том числе полученные в натурных условиях котельных агрегатов с различными технологическими принципами организации топочного процесса;

— результаты экспериментальных исследований преобразования и теп-лофизических свойств натрубных отложений на поверхностях нагрева паровых котлов;

— экспериментальное обоснование роли факторов технологии сжигания, определяющих термофизические свойства минеральных продуктов сжигания углей;

— физическая модель физико-химических превращений МЧ в технологиях сжигания угля;

— обобщение полученных на единой методической основе данных о количественной оценке компонентов МЧ;

— методика и результаты экспериментального исследования плавления золы и ее расплавов, в том числе основные закономерности образования вспененного шлака;

— принципы технических решений, воздействующих на процессы с участием МЧ в технологиях сжигания угля.

Научная новизна результатов, изложенных в диссертации, заключается в следующем:

— разработана методика экспериментального исследования физико-химических превращений минеральной части углей в условиях сжигания;

— получены и обобщены на единой методической основе экспериментальные данные о количественной оценке компонентных групп минеральной части, их свойствах на стадиях преобразования применительно к технологиям энергетического использования углей;

— впервые получены экспериментальные данные о выходе и составе фаз при плавлении золы для широкого диапазона зольности канско-ачинских углей, а также характеристики термофизических свойств расплавов золы и шлака, особенностей шлакообразования;

— впервые установлены в натурных условиях эксплуатации паровых котлов закономерности динамики преобразования золовых отложений на конвективных поверхностях нагрева;

— впервые получены численные значения теплопроводности и теплоемкости натрубных отложений в зависимости от их разновидности и определяющих процессов упрочнения;

— предложена физическая модель формирования минеральных продуктов при различных технологических вариантах сжигания углей;

— показана эффективность использования полученных результатов исследования для численного моделирования процессов первичного взаимодействия компонентов минеральной части угля в условиях факельного сжигания;

— предложены на уровне изобретений технические решения по совершенствованию технологий использования канско-ачинских углей в теплоэнергетике, реализующие научные результаты исследований.

Практическая ценность выполненных исследований состоит в том, что:

— полученные результаты создают объективные предпосылки для проектирования котлов и котельного оборудования в части выработки принципиальных технических и технологических решений по режимам и компоновочным схемам;

— разработанные и широко апробированные методики исследований расширяют арсенал средств для прогнозирования свойств минеральных продуктов применительно к различным технологиям топливосжигания;

— в эксплуатационных условиях результаты, соотнесенные с зольностью угля, позволяют обосновывать ограничения по качественным характеристикам топлива и улучшить их упреждающий контроль в зависимости от состава оборудования, регламентировать эксплуатационные режимы вплоть до использования средств очистки поверхностей нагрева и целенаправленного воздействия на состав шлака;

— технические решения по предгорелочной подготовке углей с учетом свойств минеральной части позволяют совершенствовать технологии сжигания с уменьшенными вредными выбросами.

Результаты исследований и выработанные на их основе рекомендации, методики, технические решения использованы:

— ОАО «Томскэнерго» для планирования развития топливно-энергетического баланса, в том числе для обоснования вариантов замещения природного газа твердым топливом, в частности, для теплотехнической оценки ранее неизученного угля Таловского месторождения Томской области, освоение которого позволяет повысить региональную энергетическую безопасность и содействовать развитию новых для региона отраслей промышленности;

— ОАО «Омская электрогенерирующая компания» для выбора вариантов реконструкции котлов применительно к переводу с экибастузского угля на ирша-бородинский;

— ОАО «Иркутскэнерго» (в том числе Иркутской ТЭЦ-6, НовоИркутской ТЭЦ, Усть-Илимской ТЭЦ) для организации контроля качества поставляемого на сжигание угля, регулирования шлакоулавливания, присадки сорбентов в дымовые газы, реконструкции системы транспортирования пыли высокой концентрации, выработки регламента очистки конвективных поверхностей нагрева;

— ТЭЦ ПО «Юрмаш» для определения зон шлакования топочных экранов, степени шлакоулавливания в топке и оценки эффективности оборудования газоочистки при проектировании реконструкции котлов;

— конструкторскими подразделениями (ОАО «Бийский котельный завод», Барнаульский филиал ЗАО «СибКОТЭС») в качестве исходных данных для проектных разработок котельного оборудования на бурых углях;

— в учебных дисциплинах для специальности 140 502 «Котлои реак-торостроение» в Томском политехническом университете.

По направлению диссертационной работы автором подготовлено 140 публикаций, из которых основными являются 56, в том числе 3 монографии, 27 статей в рецензируемых периодических изданиях, 14 описаний изобретений.

Изложенные в диссертации результаты были апробированы на: Всесоюзной научно-технической конференции «Расширение добычи и использование канско-ачинских углей» (Красноярск, 1972 г.) — Всесоюзном и краевых научно-технических совещаниях по вопросам сжигания канско-ачинских углей в мощных парогенераторах (Красноярск, 1973, 1978, 1985 г. г.) — II, III, IV Всесоюзных научно-технических конференциях «Влияние минеральной части энергетических топлив на условия работы парогенераторов» (Таллин, 1974, 1980, 1986 г. г.) — городской и региональной научно-технических конференциях по оптимизации процессов работы теплоэнергетических установок и систем (Томск, 1975, 1977 г. г.) — заседаниях котельно-топочной секции НТС НПО ЦКТИ (Ленинград, 1975;1978, 1982 г. г.) — конференциях по проблемам развития Канско-Ачинского топливно-энергетического комплекса (Красноярск, 1976, 1981 г. г.) — II Всесоюзном научно-техническом совещании по вопросам проектирования и эксплуатации мощных парогенераторов на экибастузких углях (Алма-Ата, 1976 г.) — научном семинаре комиссии по парогенераторострое-нию Минвуза СССР (Томск, 1977 г.) — заседаниях секций научного совета.

ГКНТ СССР, в том числе совместных с секциями научных советов АН СССР, СО АН СССР (Москва, 1977 г.- Барнаул, 1983 г.- Красноярск, 1983 г.- Томск, 1984 г.- Подольск, 1984 г.) — республиканском семинаре по надежности и экономичности работы котлов СКД мощных энергоблоков (Киев, 1981 г.) — Всесоюзном совещании по комплексному изучению ресурсов твердых горючих ископаемых Южно-Сибирского региона и их использованию в народном хозяйстве" (Новокузнецк, 1983 г.) — Всероссийской научно-практической конференции «Комплексное использование природных ресурсов» (Томск, 1984 г.) — V Всесоюзной и VI Всероссийской конференциях «Горение органического топлива» (Новосибирск, 1985, 2006 г. г.) — Всесоюзной конференции «Развитие производительных сил Сибири и задачи ускорения научно-технического прогресса» (Кемерово, 1985 г.) — VIII, IX Всесоюзных симпозиумах по горению и взрыву (Смоленск, 1986 г., Ташкент, 1989 г.) — VIII Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Новосибирск, 1988 г.) — V Всесоюзном совещании по химии и технологии твердого топлива (Москва, 1988 г.) — Республиканских конференциях по влиянию минеральной части энергетических топлив на условия работы паровых котлов (Батуми, 1988, 1989 г. г) — Всесоюзной конференции по переработке и использованию твердых топлив (Донецк, 1989 г.) — Всесоюзном совещании «Комплексное использование зол углей СССР в народном хозяйстве» (Иркутск, 1989 г.) — I и II Всесоюзных конференциях «Теплообмен в парогенераторах» (Новосибирск, 1988, 1990 г. г.) — І, II и IV научно-практических конференциях «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (Челябинск, 1992, 1996, 2007 г. г.), І, II, III международных конференциях «Сопряженные задачи механики и экологии» (Томск, 1994, 1996, 1998 г. г.) — І, II, III, IV семинарах вузов Сибири и Дальнего Востока по теплофизике и теплоэнергетике (Новосибирск, 1999 г., Томск, 2001 г., Барнаул, 2003 г., Владивосток, 2005 г.) — Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы использования канско-ачинских углей на электростанциях» (Красноярск, 2000 г.).

Структура работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, перечня использованной литературы и приложений.

Во введении обоснованы актуальность темы и целеполагающие установки, приводится общая характеристика работы.

В первой главе представлен анализ современного состояния проблемы, изученности основных свойств МЧ КАУ в связи с их влиянием на теплофи-зические процессы в техологиях энергетического сжигания. В свете поставленной цели исследований сформулированы их задачи.

Следующие три главы содержат результаты экспериментальных исследований основных закономерностей формирования и физико-химических превращений МЧ КАУ для широкого диапазона зольности как одного из основных теплотехнических параметров топлива.

Во второй главе приведены описания методик и результаты экспериментального исследования исходного состава МЧ на уровне качественных и количественных оценок по группам основных минералогическим форм.

В третьей главе изложены основные результаты исследования процесса плавления золы, содержащие новые данные по количеству и составу продуктов плавления, связи свойств расплава с составом золы, изменениям свойств под влиянием породных примесей, попадающих в топливо при масштабной промышленной добыче.

В четвертой главе приведены результаты исследования взаимодействия компонентов МЧ при разных термофизических условиях, в комплексе с физико-химическими исследованиями и термодинамическими расчетами, в том числе применительно к пиролитической обработке угля.

Содержание пятой и шестой глав объединяет исследования процессов трансформации МЧ в натурных условиях сжигания углей в паровых котлах ТЭС.

Пятая глава посвящена исследованию влияния факторов топочного процесса на свойства образующейся золы, анализу разновидностей натруб-ных отложений на поверхностях нагрева топок с различной аэродинамикой факела в зависимости от специфики состава, изучению свойств вспененного шлака.

В шестой главе приведены результаты экспериментального исследования развития золовых отложений на конвективных поверхностях нагрева паровых котлов, полученные по методу последовательно-совмещенных контрольных участков, результаты исследования теплопроводности и теплоемкости натрубных отложений различного состава.

Седьмая глава обобщает главные положения предыдущих, дополняет их расчетными исследованиями и имитационным моделированием отдельных термофизических условий, и на этой базе обосновывает возможности совершенствования технологии сжигания КАУ, включающие комплекс технических решений, методологические подходы и концепции.

В заключении дан обобщающий анализ основных результатов и главные выводы по работе. Приложения содержат сводные таблицы данных, материалы по использованию результатов работы.

Приведенные в диссертационной работе результаты получены главным образом при выполнении исследований в соответствии с координационными планами ряда комплексных научно-технических программ, ориентированных на проблемы ТЭК, по которым кафедра парогенераторостроения и парогене-раторных установок Томского политехнического университета была привлечена в качестве исполнителя, а автор являлся руководителем и непосредственным участником («Сибирь», задание 6.2.2.1.1- «Теплофизика и теплоэнергетика», задание 12.3.5.1- «Исследование и освоение сжигания канско-ачинских углей на электростанциях КАТЭКа», ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы (2006;2008 годы)». Тема диссертации соответствует основным направлениям научной деятельности Томского политехнического университета (направление «Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов») и находится в сфере приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в РФ («Энергетика и энергосбережение»).

7.6. Основные выводы.

1. Физические основы формирования минеральных продуктов при теплотехническом использовании КАУ имеют специфику своего проявления, обусловленную совокупностью факторов технологии топливосжигания. По итогам проведенных исследований их влияния на превращения МЧ выделены диапазоны температурного уровня сжигания, различающиеся своеобразием состава и свойств образующихся продуктов: 900.1000 °С, 1000.1250 °С, 1250. 1450 °C, 1450. 1650 °C. Применительно к этим диапазонам предложена принципиальная физическая модель трансформации МЧ, которая может использоваться в качестве базы для развития теоретических представлений о теплофизических процессах и их исследований, а также для практики совершенствования технологий сжигания углей с учетом свойств минеральной части.

2. Рассмотрение физических явлений, ограничивающих использование технологий сжигания КАУ с расплавленным состоянием шлаков, анализ механизма образования вспененного шлака и условий его дегазации, расчетные оценки предельных состояний для эвакуации расплавленного шлака при сепарации в него породных включений показали, что применение принципа изменения соотношения Si02/Ca0 в шлаке является эффективным методом управления процессами в топливосжигающих агрегатах.

3. Апробированы оригинальные пакеты прикладных программ CHAIF и FIRE 3D в задачах численного моделирования первичных взаимодействий минеральной части КАУ с конструктивными элементами топок. В составе программного продукта FIRE 3D разработана модель учета образования и движения шлаковой пленки, использующая аналитическое решение Маршака.

4. Показаны варианты применения базовых данных о минеральной части угля для моделирования введения флюсующих присадок в шлак, для ввода сорбентных присадок в унос из топки, для оценки коэффициента шла-коулавливания и для прогнозирования локальных зон шлакования топочных экранов. Путем вариативных компьютерных расчетов исследованы эксплуатационные возможности котла БКЗ-220−100 ЖШ ТЭЦ Юргинского машиностроительного завода для повышения надежности и экономичности работы. Показана эффективность использования численного моделирования топочных процессов с учетом МЧ угля для выработки предпроектных решений о переводе котла БКЗ-420−140 Омской ТЭЦ-4 на замещающее топливо. Результаты переданы для практического использования.

5. Выполнены экспериментальные исследования, результаты которых позволяют рассматривать предварительную термическую обработку КАУ как стадию подготовки к сжиганию, которая предпочтительна по условиям преобразования МЧ и свойствам образующейся от сжигания золы. При стендовых сжиганиях полукокса установлено снижение темпа роста золовых отложений на зондах-имитаторах в 1,6. 1,8 раза, образцы уноса от сжигания полукокса развивают прочность при спекании и сульфатизации в слое в 2.3 раза меньше по сравнению с натуральным углем. Эти характеристики позволяют не относить натрубные отложения при сжигании полукокса к прочносвязанным и эффективно применять умеренные средства очистки поверхностей нагрева.

6. Предложены направления улучшения свойств минеральных продуктов сжигания КАУ, основанные на применении предтопочной или предварительной термической подготовки в технологиях сжигания. Одно из них состоит в существенном уменьшении доли минеральных компонентов угля в составе остаточных органо-минеральных соединений продуктов термоподготовки. Другое направление заключается в минимизации содержания железистых соединений, приобретающих свойства магнетиков в процессе термической подготовки, за счет их сепарации в системе подготовки топлива. Для наиболее полной реализации этих направлений рекомендовано вести термическую подготовку в режиме высокотемпературного пиролиза-до 750 °C.

7. По всем направлениям совершенствования технологий топливос-жигания за счет воздействия на процессы с участием МЧ, обоснованным с использованием результатов выполненных автором исследований, предложены технические решения, из которых 14 зарегистрированы как изобретения. Часть из них используется на практике.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе в соответствии с поставленными задачами выполнен комплекс экспериментальных исследований, нацеленных на получение новых данных о составе и физико-химических превращениях макрокомпонентов минеральной части канско-ачинских углей под влиянием температуры и других технологических факторов, о параметрах теплофизических процессов, характерных для традиционных и перспективных технологий топли-восжигания в теплоэнергетике.

Разработаны и апробированы методические положения для применения широкого круга экспериментальных методов к задаче комплексного исследования исходного состава минеральной части бурых углей. Примененный для исследования КАУ комплекс методов представляет собой сочетание физического фракционирования (седиментация угольной пыли в жидкостях различной плотности) и химического фракционирования (последовательное избирательное растворение минеральных составляющих), сопровождаемое химическими анализами (силикатный, эмиссионный и др.) и инструментальными исследованиями физическими методами (рентгенофазовый анализ, деривато-графия, инфракрасная спектрометрия, оптическая микроскопия с использованием качественных реакций). Основные фрагменты данной методики были применены также для исследования минеральной части бурого угля Талов-ского месторождения Томской области и позволили получить результаты, важные для практики их энергетического использования.

Согласно использованной методике для нескольких укрупненных групп минеральных соединений получены и обобщены во всем диапазоне зольности КАУ количественные оценки макрокомпонентов минеральной части применительно к оксидной форме: оксида кремния — в виде свободной кремнекислоты (кварц), в составе глинистых минералов и незначительно в виде адсорбционных комплексов с органическим веществомоксидов кальция и магния — преимущественно в составе гетерополяр-ных солей гуминовой кислотой, а также в составе комплексных солей и карбонатов, менее всего в составе глинистых силикатовоксида алюминия — в составе глинистых минералов, в виде органо-минеральных комплексных солей и незначительно в составе гуматовоксида железа — в составе органо-минеральных комплексных солей, дисульфидов, карбонатов и окисных форм, включая адсорбционные (гидрооксиды).

При этом минералогический состав внешней составляющей минеральной части сложен из дисульфидов, кварца и каолинита, к которым примешаны сидерит, кальцит, глинистые минералы типа монтмориллонита и гидрослюд. Среди минеральных соединений, относящихся к внутренней составляющей минеральной части, преобладают гетерополярные соли с ионной формой связи металла с органическим веществом.

Разработана и апробирована оригинальная методика исследования плавления золы как поликомпонентной минеральной смеси, состоящей из фракций с разными температурами плавления, которая позволяет определить количество и состав образующихся при плавлении фаз. На основе анализа результатов исследования по данной методике предложен новый способ определения характеристик плавкости золы, который повышает достоверность результатов установления интервала плавления и тем самым надежность исходных данных для выбора температуры по газовому тракту в опорных точках тепловой схемы топливосжигающих устройств.

На основании классифицированных экспериментальных данных по измерению вязкости расплавов золы и шлака, полученных на ротационном вискозиметре с коаксиальными цилиндрами, предложен новый расчетно-графический способ определения вязкостно-температурных характеристик расплавов по их макрокомпонентному составу. Использование этого способа для материалов, соответствующих по составу минеральной части канско-ачинских углей, позволяет существенно сократить объем трудоемких экспериментов. В настоящей работе способ применен для постадийной характеристики выплавлений, масса которых оказалась недостаточной для проведения опытов, а также для расчетов отдельных параметров шлакообразования применительно к реальным топкам котлов.

По результатам исследований разработаны диаграммы количественного выхода фаз при плавлении в широком диапазоне температур для золы угля с различной зольностью. Согласно диаграммам процесс фазообразования состоит из нескольких стадий. Фракционное плавление, с которого начинается выход жидкой фазы, является свойством золы угля, общая зольность которого лишь незначительно превышает свою внутреннюю составляющую.

Выплавления, образующиеся на этой стадии процесса, состоят в основном из соединений железа, серы, натрия, калия и алюминия и обладают низкой вязкостью. Свойства расплава существенно изменяются по мере повышения температуры его образования за счет увеличения содержания оксидов кальция, магния, кремния: возрастает вязкость и температура затвердевания. В результате таких изменений расплав, получаемый при температурах более.

1400 °C, затвердевает при охлаждении с образованием устойчивых силикатных соединений. Нерасплавившаяся часть золы по мере выхода жидкой фазы с развитием процесса плавления также обнаруживает эту тенденцию.

Установленные особенности фракционного плавления золы позволяют констатировать ряд положений, имеющих важное значение для технологии сжигания углей: а) по своим свойствам низкотемпературные выплавления являются существенным фактором усиления загрязняющей способности несущих их зо-ловых частиц относительно поверхностей нагреваб) поскольку эти выплавления обусловлены компонентами минеральной части, которые наиболее прочно связаны с органикой, то независимо от зольности исходного угля тонкий помол угольной пыли увеличивает совокупность частиц, являющихся носителями низкотемпературной жидкой фазыв) поскольку летучая зола (унос) при факельном сжигании формируется преимущественно из легких частиц, с учетом вышеотмеченных положений тонкий помол при такой технологии сжигания способствует усилению загрязняющей способности летучей золы относительно поверхностей нагреваг) в противоположность этому угрубленный помол с равномерностью фракционного состава угольной пыли, обеспечивающий наличие механических включений в частицах, за счет действия компонентов внешней зольности приводит к связыванию низкотемпературных выплавлений и переводу процессов плавления в узкий температурный диапазонд) подобный эффект выравнивания состава продуктов плавления золы достигается также при нагреве до температуры не менее 1400 °C или за счет предварительного отделения из угля железосодержащих компонентов минеральной части.

Специальными исследованиями влияния минерального балласта, вовлекаемого в товарный уголь при добыче, на плавкость золы установлено, что разнообразие состава примешиваемых пород приводит к очень большим разбросам значений температур плавления даже при одинаковой зольности угля. Учитывая, что зольность угля является одним из основных технологических параметров, контролируемых при управлении технологическими процессами сжигания, необходимо ограничивать величину балласта при добыче в пределах 2,5% от товарной массы в сухом состоянии.

Особенности формирования состава минеральной части углей и их проявления при плавлении предопределили специфику исследования физико-химических превращений под действием температуры применительно к условиям перспективных технологий сжигания. Эти условия определяют возможности контактирования отдельных соединений в составе частиц, зо-ловых или шлаковых образований, восстановительную среду на начальной стадии преобразований, наличие зон с различным составом газовой среды.

Установлено, что компоненты минеральной части, относящиеся к внутренней зольности, в том числе связанные с органикой, в ходе термических превращений в восстановительной среде преобразуются в тонкодисперсные, активно взаимодействующие соединения с низкими температурами плавления. В частности, железо-органические комплексы минеральной части при нагреве без доступа кислорода переходят в стадию промежуточных продуктов, состоящих из сульфидов, низших оксидов и элементного железа. Все они являются компонентами легкоплавкой составляющей золы. Другие макрокомпоненты внутренней зольности (кальций, магний, алюминий), находящиеся в смеси с продуктами преобразования железо-органических соединений, оказывают на них восстановительное действие.

Применительно к преобразованию железосодержащих минералов, относящихся к внешней зольности, для условий топочной среды показан новый механизм регенерации дисульфидов железа из промежуточных продуктов преобразования пирита. Физическая модель этого процесса базируется на термодинамически обусловленных реакциях преобразования в среде продуктов сгорания с высоким содержанием химического недожога.

Показанная схема преобразований компонентов минеральной части, ведущих к появлению легкоплавких смесей в локальных областях топочного объема, может выступать фактором усиления загрязняющей способности золы относительно поверхностей нагрева. При традиционных технологиях сжигания в пылеугольном факеле предотвращение таких зон является задачей, трудной для конструкторского воплощения.

Технология сжигания с пиролитической обработкой угля изменяет минералогический состав угольной пыли за счет увеличения выхода силикатных и железистых соединений, включая сульфидные формы. Иными словами, варианты технологий сжигания с предварительной термоподготовкой угля позволяют выводить важные для загрязняющего потенциала золы преобразования в предтопочную стадию. При этом повышение температуры пиролитической обработки от 500 до 750 °C усиливает эту тенденцию.

На основе комплекса экспериментальных, расчетных и аналитических результатов исследования преобразований минеральных компонентов угольных частиц и свойств образующейся золы выработана классификационная схема технологических условий процессов пылеугольного сжигания. Классификационными признаками начальных превращений, которые зависят от степени измельчения угля, являются: состав минеральной части, тип сочетания органической и минеральной составляющих, характер выгорания летучих веществ. Аналитическим решением при этом установлено, что в обширной области температур ведения топочного процесса микрофакельная схема выгорания летучих, когда преобладающая их часть выгорает на стехиомет-рической сфероидной поверхности, охватывает наиболее крупные частицы угольной пыли с размером более 150 мкм. На стадии выгорания коксового остатка угольных частиц, завершающей превращения минеральной составляющей при горении, в качестве основных классификационных признаков выделены диапазон температур сжигания и состав газовой атмосферы. Показано, что для формирования свойств золы характерными температурными диапазонами являются: < 1000 °C, 1000. 1200 °C, 1200. 1400 °C,> 1400 °C.

На котлах с различной организацией топочного процесса в эксплуатационных и опытных сжиганиях КАУ выявлены режимные условия, от которых зависят термические преобразования минеральной части. Предложены показатели оценки завершенности преобразований для реакционно-активных компонентов золы — по степени связывания оксида кальция, по окисленности железа, по сульфатизации летучей золы, по выносу щелочных соединений. Показана связь этих показателей с условиями сжигания, в частности, с уровнем температуры в зоне активного горения, отклонением траектории факела от прямолинейно-подъемного, неравномерностью полей температур, скорости, концентрации частиц и газового состава. Данная корреляция является методической основой для выработки способа оценки эффективности технологии топливосжигания с точки зрения свойств образующейся золы.

Установлена единая для топок с жидким шлакоудалением закономерность изменения состава шлака в зависимости от степени измельчения подаваемой в топку угольной пыли, охарактеризованной по остатку на сите Над. На этой основе для оценки изменения свойств шлака под влиянием сепарирующихся частиц предложена формула, связывающая температуру жидко-плавкого состояния с Я90.

Получены новые данные об особенностях плавающего гранулята, который чаще всего образуется при сжигании углей в открытых топках с жидким шлакоудалением и прямоточным факелом. Показано, что он относится к типичным шлакам кислого состава с низкими температурами плавления и является результатом вспенивания шлакового расплава в процессе газовыделения при шлакообразовании. Экспериментально установлена зависимость предложенных параметров вспенивания от состава и температуры шлака, а также область значений параметра состава 8Ю2/СаО от 1,2 до 3,5, которая является критичной для эвакуации шлака. С учетом сепарации внешних составляющих минеральной части установлено, что при сжигании угля типа назаров-ского в открытой топке с прямоточным факелом применение технологии с жидким шлакоудалением ограничено зольностью Аё = 12% из-за затруднений с эвакуацией вспененного шлака.

Для проведения натурных экспериментов на поверхностях нагрева котлов разработан метод последовательно-совмещенных контрольных участков, который позволяет получить пробы отложений в большем количестве, чем это ограничено числом остановов котла за период исследования, и тем самым расширяет информативность опытных данных о промежуточных стадиях развития отложений и о динамике этого процесса в целом. С использованием этого метода исследовано образование отложений на топочных экранах и конвективных элементах котлов с принципами топливосжигания, различающимися по температурным и аэродинамическим условиям воздействия на свойства золы.

Установлено, что общий уровень загрязнения экранов в большей мере связан с интегральными и балансовыми характеристиками топочной среды, тогда как специфика натрубных отложений определяется локальными условиями и свойствами. Так, в топках с тангенциально закрученным факелом эта специфика существенно различается в зависимости от температурных условий в зоне активного горения. При твердом шлакоудалении — связанно-шлаковые отложения с высоким содержанием железа на экранных трубах горелочного пояса, образующиеся за счет сепарации из факела продуктов неполного окисления железосодержащих компонентов, вначале дисульфидов железа, а затем железоорганических соединений минеральной части угля. При жидком шлакоудалении подобные отложения формируются более локально — на гладкот-рубных экранах вблизи сбросных горелок, откуда поступает минеральный балласт с отработанным сушильным агентом системы пылеприготовления.

В топках с горизонтальным вихревым факелом состояние загрязнения экранов весьма зависит от степени сепарации в шлак частиц с высокой плотностью. При этом в топках с жидким шлакоудалением определяющим процессом загрязнения экранов является шлакование как следствие изменения эксплуатационных режимов, как правило, при повышенных нагрузках. В топках с твердым шлакоудалением, особенно в безмельничном варианте, агломерационная основа процесса формирования связанно-шлаковых отложений подавляется действием запыленного потока в пристенной зоне.

Изучение механизма самоочистки от отложений радиационных поверхностей нагрева, наблюдаемого при сжигании угля с повышенным содержанием кальция (по типу березовского угля), показало, что в составе такого рода отложений преобладает двухкальциевый силикат (2СаО ¦ БЮг). Обратимые температурные превращения его модификации, возникающие при остановке котла или другом охлаждающем воздействии, приводят к увеличению объема кристаллической решетки и возникновению вследствие этого механических напряжений в массиве плотных вторичных отложений.

Исследованиями трансформирования во времени отложений на паро-перегревательных трубах котлов выявлены как общие закономерности преобразования их состава, так и различия, обусловленные составом минеральной части угля и условиями топочного процесса. Общие закономерности при различных технологиях сжигания отмечены для носителей кремния, алюминия, магния, которые наиболее инертны в процессах упрочнения. Напротив, для носителей кальция, серы, железа, которые влияют на связывание в слое отложений, характерна зависимость от конкретных условий сжигания. Наряду с этим очевидно, что в случае высокой степени отделения железосодержащих компонентов минеральной части при сжигании угля от летучей золы можно ограничивать развитие золового загрязнения в конвективном пароперегревателе стадией первичных стабилизированных отложений.

Золовые отложения на низкотемпературных поверхностях нагрева, несмотря на различия характеристик угля и условий сжигания, имеют одинаковые тенденции преобразования состава, в основном за счет сульфатизации. Это сходство объясняется близкими температурными условиями, в частности, при унифицированных компоновочных схемах и параметрах среды. Однако развитие отложений на входе в опускной газоход снижает надежность и экономичность работы всех поверхностей нагрева конвективной шахты, так как отслаивающиеся и обрушивающиеся фрагменты отложений затрудняют действие средств очистки и препятствуют проходу дымовых газов.

Получены новые экспериментальные данные и обобщающие зависимости по теплопроводности и теплоемкости натрубных отложений, охватывающие все их классифицированные разновидности, образующиеся при сжигании КАУ в котлах разного типа. Впервые разновидности отложений с учетом преобладающего процесса их образования охарактеризованы по величине коэффициента теплопроводности. Для экспрессной оценки теплопроводности сульфатизируемых отложений предложено использовать в качестве определяющего параметра величину содержания серного ангидрида. Совместно с данными о динамике изменения состава полученные закономерности взаимосвязи теплофизических свойств и состава отложений позволяют не только более достоверно решать задачи моделирования процесса загрязнения поверхности нагрева, но и регламентировать использование штатных средств очистки при эксплуатации котлов.

Обобщение результатов проведенных исследований позволило выделить физические основы формирования минеральных продуктов и его специфику в зависимости от совокупности факторов технологии топливосжига-ния. Применительно к диапазонам температурного уровня сжигания 900.1000 °С, 1000.1250 °С, 1250.1450 °С, 1450.1650 °С на основе установленного своеобразия состава и свойств образующихся летучей золы и шлака предложена принципиальная модель трансформации минеральной части, которая является основой для развития теоретических представлений, а также для практического использования с целью совершенствования технологий сжигания углей с учетом свойств минеральной части.

Исходя из этих концепций, рассмотрены физические явления, которые ограничивают использование для КАУ технологий сжигания с переводом шлака в расплавленное состояние. При этом получены экспериментальные данные о покомпонентном шлакоулавливании, выполнен анализ механизма образования вспененного шлака и условий его дегазации, а также расчеты предельных состояний для эвакуации расплава при сепарации в него породных включений, которые позволили констатировать эффективность изменения соотношения Si02/Ca0 в шлаке как принципа управления процессами в топливосжигающих агрегатах.

В задачах численного моделирования первичных взаимодействий минеральных продуктов сжигания КАУ применены оригинальные пакеты прикладных программ CHAIF и FIRE 3D, дополненные разработанной моделью учета образования и течения шлаковой пленки с использованием аналитического решения Ю. Л. Маршака. При этом базовые данные о минеральной части угля использованы для моделирования ввода флюсующих присадок в шлак, для оценки коэффициента шлакоулавливания, для прогнозирования локальных зон шлакования топочных экранов. Показана эффективность численного моделирования топочных процессов с учетом минеральной части угля для исследования эксплуатационных возможностей котла с целью повышения надежности и экономичности работы, для выработки предпроектных решений о переводе котла на замещающее топливо.

В стендовых сжиганиях полукокса получены экспериментальные результаты, которые свидетельствуют о более благоприятных свойствах золы с точки зрения загрязнения поверхностей нагрева по сравнению со сжиганием натурального угля. Так, темп роста золовых отложений на зондах-имитаторах снижается в 1,6. 1,8 раза, а прочность, развиваемая при спекании и сульфатизации уноса в слое, — в 2.3 раза. По этим характеристикам отложения на трубах при сжигании полукокса не относятся к типу прочно-связанных отложений и позволяют применять умеренные средства очистки поверхностей нагрева. Эти данные совместно с результатами вышеизложенных исследований физико-химических преобразований минеральной части дают основание рассматривать предварительную термическую обработку КАУ как стадию технологии сжигания.

На этой основе предложено проводить изменения свойств минеральных продуктов сжигания КАУ путем термической подготовки угля в режиме высокотемпературного пиролиза при 750 °C за счет: уменьшения доли компонентов в составе органо-минеральных соединений и минимизации содержания железистых соединений. По этим и другим направлениям совершенствования технологий топливосжигания предложены технические решения, воздействующие на процессы с участием минеральной части.

Итогом выполненных в настоящей работе исследований являются следующие основные результаты и выводы.

1. На основе комплекса лабораторно-экспериментальных и расчетно-аналитических исследований выработана классификационная схема технологических условий, влияющих на физико-химические превращения минеральных компонентов в составе угольных частиц и свойства образующейся золы. Согласно этой схеме начальные превращения зависят от степени измельчения угля, определяющей состав минеральных компонентов и характер выгорания летучих веществ. Микрофакельная модель выгорания летучих на сте-хиометрической сфероидной поверхности охватывает наиболее крупные частицы угольной пыли с размером более 150 мкм. Превращения минеральной части на стадиях выгорания коксового остатка угольных частиц и образования золы определяются влиянием состава газовой атмосферы в характерных температурных диапазонах: 900.1000 °С, 1000.1200 °С, 1200.1400 °С, > 1400 °C.

2. Пиролитическая обработка значительно изменяет минералогический состав угольной пыли за счет увеличения доли силикатов и промежуточных железистых соединений. Повышение температуры пиролитической обработки от 500 до 750 °C усиливает эту тенденцию. Данные результаты свидетельствуют о том, что предварительная термоподготовка угля является элементом технологии сжигания, который позволяет выводить в предтопоч-ную стадию превращения минеральных компонентов с образованием легкоплавких соединений, увеличивающих загрязняющий потенциал золы.

3. По результатам натурных исследований преобразования минеральной части в топках с различной организацией сжигания предложены показатели оценки загрязняющей активности золы — по степени связывания оксида кальция, по окисленности железа, по степени сульфатизации летучей золы, по выносу щелочных соединений. Показана их связь с условиями сжигания, характеризуемыми уровнем температуры в зоне активного горения, отклонением траектории факела от прямолинейно-подъемного, неравномерностью полей температур, скорости, концентрации частиц и газового состава. Выявленная корреляция является методической основой для оценки эффективности технологии топливосжигания с точки зрения свойств образующейся золы.

4. Разработан и введен в практику натурных исследований образования натрубных отложений на поверхностях нагрева котлов метод последовательно-совмещенных контрольных участков. С его использованием показана специфика образования отложений на топочных экранах и конвективных элементах котлов с различными температурными и аэродинамическими условиями воздействия на свойства золы.

Установлен механизм самоочистки поверхностей нагрева от вторичных отложений при сжигании угля типа березовского (с повышенным содержанием кальция в золе), в основе которого лежат обратимые температурные превращения двухкальциевого силиката, вызывающие механические напряжения в массиве плотных отложений вследствие объемной перестройки кристаллической решетки.

Впервые получены экспериментальные данные о динамике трансформирования состава отложений на трубах конвективных поверхностей нагрева за период времени до 3000 часов.

5. Получены новые экспериментальные данные о теплоемкости и теплопроводности натрубных отложений, образующихся в котлах разного типа. Впервые диапазонами значений эффективного коэффициента теплопроводности охарактеризованы все разновидности отложений на поверхностях нагрева, классифицированные при сжигании КАУ. Предложены эмпирические зависимости для экспрессной оценки эффективного коэффициента теплопроводности по их составу.

6. Экспериментальными результатами стендовых сжиганий пылевидных продуктов пиролитической обработки угля подтверждена перспективность применения предварительной термической подготовки КАУ как стадии технологии сжигания, позволяющей уменьшить загрязняющие свойства золы относительно поверхностей нагрева по сравнению со сжиганием натурального угля. Количественно такое влияние характеризуется снижением интенсивности роста золовых отложений на зондах-имитаторах в 1,6. 1,8 раза, а прочности, достигаемой при сульфатизации уноса в слое, в 2. .3 раза.

7. С учетом установленных особенностей влияния определяющих факторов в характерных температурных диапазонах предложена принципиальная физическая модель формирования минеральных продуктов при различных технологических вариантах сжигания. Концепции физической модели являются основой для направлений совершенствования технологий топ-ливосжигания за счет воздействия на процессы с участием минеральной составляющей углей.

8. Выявлена экспериментальным путем общая для различных месторождений КАУ зависимость соотношения укрупненных групп составляющих минеральной части (первичных внутренних, внутренних тонкодисперсных, внешних примесей) от зольности. На этой основе предложена диаграмма распределения минеральной части углей по степени связи с органическим веществом. Представлены количественные оценки содержания макрокомпонентов минеральной части в составе различных групп минералов, охватывающие весь диапазон зольности КАУ.

9. Установлено, что доля механически отделимых примесей, представленных дисульфидами, кварцем, каолинитом и в меньшей мере сидеритом, кальцитом, глинистыми минералами типа монтмориллонита и гидрослюд, в диапазоне зольности Ad = 5.20% изменяется прямо пропорционально от 0,13±0,07 до 0,55±0,07.

10. В составе внутренней составляющей минеральной части КАУ доминируют соединения в виде гетерополярных солей с ионной формой связи металла с органическим веществом, к которым относятся 70.80% СаО, 60.90% MgO, 40.60% А120з, и менее 50% (Na20 + К20) от их содержания в легкой фракции угля. При этом почти все содержащееся во внутренней составляющей МЧ железо входит в комплексные соли, имеющие более прочную форму связи со структурой органики. В условиях сжигании при деструкции и окислении угольных частиц эти различия проявляются в разной устойчивости органо-минеральных соединений.

11. Специфика процесса плавления золы, состоящая в наличии и составе фракционных выплавлений в его низкотемпературной области, является свойством совокупности компонентов минеральной части, которые наиболее прочно связаны с органической массой, и определена как один из факторов загрязняющей способности золовых частиц относительно поверхностей нагрева котлов. Исходя из исследованных закономерностей формирования продуктов плавления и изменения их свойств, основными путями получения устойчивых силикатных соединений и выравнивания состава золовых частиц при факельном сжигании, доступными за счет технологических средств, являются угрубление и повышение равномерности помола угольной пыли, нагрев золы до температуры не менее 1400 °C и предварительное отделение железистых компонентов.

12. В натурных исследованиях топок с жидким шлакоудалением установлена единая закономерность изменения состава шлака в зависимости от степени измельчения угольной пыли и получены новые данные о свойствах плавающего гранулята в широком диапазоне изменения состава, охарактеризованного параметром SiCVCaO. Для оценки изменения свойств шлака под влиянием сепарирующихся частиц предложена формула, связывающая температуру жидкоплавкого состояния шлака с величиной остатка угольной пыли на сите R90.

13. Экспериментально установлена зависимость параметров вспенивания шлакового расплава от состава и температуры. Выявлена область значений параметра состава Si02/Ca0 от 1,2 до 3,5, являющаяся критичной для эвакуации вспененного шлака и для осуществления технологий с барботи-руемым шлаковым расплавом.

Рассмотрение физических процессов, ограничивающих использование КАУ в технологиях сжигания с переводом шлака в расплавленное состояние, в том числе анализ механизма образования вспененного шлака и условий его дегазации, расчеты предельных состояний для течения расплава при сепарации в него породных включений, характеризует изменение соотношения SiCVCaO как принцип управляющего воздействия на эти процессы.

С учетом определяющих факторов шлакообразования установлена величина зольности Ad = 12%, которая ограничивает применение технологии пылесжигания с жидким шлакоудалением по факельному варианту для угля типа назаровского из-за затруднений с эвакуацией шлака.

14. Полученные в результате проведенных исследований базовые данные о минеральной части КАУ применены к задачам численного моделирования первичных взаимодействий минеральных продуктов сжигания с конструктивными элементами топок, выполненного с использованием дополненных пакетов прикладных программ CHAIF и FIRE 3D. Варианты численных исследований для тестирования эксплуатационных возможностей топки с целью повышения надежности и экономичности работы котла, для выработки предпроектных решений с целью перевода котла на замещающее топливо, показавшие эффективность моделирования топочных процессов с учетом минеральной части угля, использованы на практике.

15. По каждому из рассмотренных направлений воздействия на процессы с участием минеральной составляющей углей в технологиях теплотехнического сжигания предложены технические решения, среди которых имеются доведенные до практического использования, а также зарегистрированные как изобретения.