Образуване и характеристики на летлива пепел от пулверизирани въглища

Юрий Калиновски преди 2 години Прегледи:

2 В резултат на това се образуват находища, чийто състав, скорост на образуване и свойства са различни. В компютърните програми за образуване и нарастване на отлаганията способността на всяка отделна частица да се фиксира се оценява по метода "частица по частица, частица по частица". За по-лесен анализ частиците летлива пепел могат да бъдат групирани според тяхната роля в образуването на отлагания. Например, във вероятностния модел на шлака от UralVTI [2], частиците са разделени на 4 групи: матрични, лепкави, инертни и абразивни, където матричните частици се разбират като частици, които са фиксирани върху нелепкава повърхност. Промяната в съотношението на всяка от групите частици е показано на фиг. 2 според данните за състава на отделни частици летлива пепел от бородински въглища. Ориз. 2. Промяна в съотношението на частиците от различни видове в зависимост от температурата (изчисление от разпределението на химичния състав и размера на отделните частици летлива пепел от бородински въглища). Информацията за състава и размера на отделните частици летлива пепел, използвани в математическите модели на шлака, се оценява от данни за разпределението на минерални включвания във въглищата и идеи за механизмите на образуване на летлива пепел. Директно, основно за тестване на програми за оценка, съставът и размерът на отделните частици летлива пепел се определят с помощта на сканираща електронна микроскопия, свързана с компютър, като технологията CCSEM. Механизми на образуване на летлива пепел. По време на изгарянето на въглищата неорганичните им компоненти претърпяват значителни физични и химични трансформации, чиято дълбочина зависи от свойствата на въглищата и характеристиките на процеса. В литературата се разглеждат няколко основни механизма на образуване на летлива пепел, например [3, 4]: коалесценция (комбинация от отделниминерали) на вътрешната минерална част в горяща въглищна частица (фиг. 3а); фрагментиране на горящата частица с частично интегриране на вътрешна пепел (фиг. 3b). Терминът фрагментация обхваща набор от различни процеси, които произвеждат повече от една частица летлива пепел от една горяща частица. В някои работи фрагментацията на частиците в процеса на летливо освобождаване и фрагментацията по време на изгарянето на нелетлив остатък се разглеждат отделно [5]; раздробяване (раздробяване) на минералната част на външната пепел, 49

3 сублимация, изпаряване на селективни компоненти, последвано от кондензация под формата на хомогенни малки частици или с образуване на филми (покрития) върху повърхността на други частици. В допълнение към изпаряването на отделните метали се разглежда и механизмът на изпаряване и кондензация на техните соли, като Na 2 SO 4, KCl, K 2 SO 4 [6]. - премахване на предварително фиксирани асоциации на частици. Ориз. Фиг. 3. Схема на образуване на летлива пепел чрез коалесценция (а) и фрагментация (б). Нека добавим към този списък процеса на преразпределение на частиците между летливата пепел и шлаката, взаимодействието на частиците с газовата фаза (сулфатизация, окисление) и промяната във фазовия състав (топене, кристализация и рекристализация). Характерен резултат от такива трансформации се проявява в образуването на мултимодална летлива пепел по размер, отделните частици на която са по-големи от частиците на първоначалните минерали във въглищата, а други са много тънки на субмикронно ниво. По-голямата част от летливата пепел се образува чрез коалесценция на вътрешната пепел и фрагментиране на външната пепел. Някои огнеупорни минерали от външна пепел, като кварц-SiO 2, не се топят при температури, развити в пещта, и запазват първоначалния си фазов състав и неправилна форма. Въпреки това, при високи температури, силикатни и алумосиликатни частици, които съставляват мнозинството вминерална част, в контакт с други разтопени и кондензиращи частици образуват предимно разтопени стъкловидни сфери или аморфни образувания. Ролята на един или друг механизъм в образуването на основната маса летлива пепел очевидно не е еднаква за различните въглища. По-специално, практически не се наблюдава раздробяване при изгаряне на кафяви въглища, които имат ниска склонност към набъбване. С нарастването на марката въглища в диапазона от кафяви 50

4 до антрацит, нивото на фрагментация се увеличава до силно реактивен камък (битуминозен с висок добив на летливи вещества). С увеличаване на съдържанието на пепел се наблюдава тенденция към намаляване на нивото на фрагментация [5]. Тенденцията на нелетливия остатък да се фрагментира с по-голям или по-малък успех се оценява с различни показатели и често просто се взема предвид вида на въглищата. В някои случаи за оценка се използва индексът на набъбване на въглищата, набъбването е индикатор за тяхното синтероване, определяно от промяна в обема или формата. Основният механизъм за образуване на най-малката субмикронна част от летливата пепел е освобождаването на органоминерални метали от органични съединения в процеса на пиролиза на въглища, изпаряването на соли (сулфати, хлориди) и освободени метали и тяхната кондензация с намаляване на температурата на газовия поток. Този механизъм се обосновава от зависимостта на количеството субмикронна фракция от условията на горене и преди всичко от температурата на горене, както и от спецификата на размерите на частиците за условията на нуклеация и по-нататъшна агломерация [3, 5, 7, 8]. По-големи частици с субмикронно ниво и размер от няколко микрона се образуват главно по време на изгарянето на нелетливия остатък от въглищни частици (въглен, частици от междинния продукт на горене) поради тяхната фрагментация [3, 8] и в по-малка степен зависят от температурата на горене. Подмодели на летлива формацияпепел. Както беше отбелязано, за да се предскажат размерът и характеристиките на летливата пепел, данните от CCSEM сканираща електронна микроскопия за състава и размера на минералната част във въглищата се използват главно като първоначални данни. Обърнете внимание, че дори тези данни, допълнени от химическо фракциониране за определяне на органично свързани метали, не са достатъчни за правилно прогнозиране (фиг. 4). Ориз. 4. Фракционен състав на летливата пепел [6]. 1 - прогноза без отчитане на коалесценция (всяко минерално образувание във въглищата образува отделна частица летлива пепел), 2 реална пепел, 3 прогноза при допускане на пълно сливане на минералната част в прахова частица (комбиниране на всички минерални включвания). За получаване на прогнозни резултати, които са по-близки до реалните, в подмоделите за образуване на летлива пепел допълнително се използва емпирична информация за процесите на раздробяване, комбиниране и изпаряване на минералната част, която е различна за въглища от различни видове и степени на метаморфизъм. Например, във вероятностния модел на коалесценция (Random Coalescence, RC), за оценка на фракционния състав на допълнителни

5, но са взети предвид различни видове въглища [9]; в метода [10] техните реактивни свойства. Може би най-пълният модел на Atran, разработен в EERC [11], използва като първоначални данни: размера, състава и броя на минералните включвания във въглищата, наличието на минерални примеси във въглищната частица или извън нея (според електронна микроскопия, комбинирана с компютър CCSEM), средния състав на пепелта, елементния състав и масовото количество на неорганични елементи, свързани с органична материя. Използват се и данни за конструкцията и режимите на работа на котела. Моделът отчита процесите на изпарение, кондензация, коалесценция на минералната част и частична коалесценция,образуване на шлака, фрагментиране на изгаряне на нелетлив остатък и минерали. Добавянето на експериментални данни за разпределението на минерални включвания във въглища с емпирични зависимости на тяхната трансформация по време на горене позволява да се получи добро съответствие за конкретните изследвани въглища. За произволни условия на въглища и пещ, очевидно все още не е предоставена приемлива количествена прогноза. Тази ситуация, наред с други неща, е свързана с разликите в трансформацията на едни и същи въглища в различни пещи и условия. По-специално, съставът и разпределението на летливата пепел зависи от преразпределението на минералното съдържание на въглищата между шлаката и летливата пепел. Преразпределение между шлака и пренос. В горивната камера част от най-голямата и най-тежка летлива пепел се отделя в студена фуния; частици, достигнали повърхността на стените и способни да се фиксират, включително малки, които образуват насипен слой, се отстраняват под формата на шлака и агломерати от частици. С изключение на циклонните камери, които не се използват широко в енергийния сектор, делът на минералната част на въглищата, отстранена през студена фуния и под формата на шлака (коефициент на отстраняване на пепел a sl ) в традиционните пещи не надвишава 15%. При отстраняване на част от минералните примеси под формата на шлака средният химичен състав на летливата пепел, както и отстранената шлака, могат да се различават от състава на пепелта от въглища (лабораторна пепел от пепел), което трябва да се вземе предвид при анализа на шлаката и други свойства на летливата пепел и шлаката. В същото време, с голям брой изследвания в промишлени условия и на тестови стендове, няма признати от широк кръг изследователи алгоритми за отчитане или дори оценка на резултатите от преразпределението на минералната част между шлаката и увличането според широко достъпни данни за произволно избрано гориво. Това изглежда е показателно преди всичко занедостатъчността на широко достъпни данни за такъв анализ, както и зависимостта на резултата от доста голям брой външни фактори (пулверизация и режим на горене, характеристики на горивната камера, включително условия на агломерация 52

7 съдържание на пепел с по-малко от 2-4%, което е по-малко от действително наблюдаваните колебания в съдържанието на пепел. Компилацията от резултати от промишлени котли, показана на фигури 6-7, потвърждава резултатите от горния анализ, включително заключението, че редовното преразпределение на състава на летливата пепел и пепелта от въглища е по-малко от колебанията в състава поради променливостта на съдържанието на пепел и пепелния състав на входящата пепел от въглища. Потвърждава се и възможността за забележимо преразпределение на състава на летливата пепел и пепелта от въглища с ниско съдържание на пепел. Ориз. Фиг. 6. Разликата в съдържанието на компонентите R n O m = R n O увличане m - R n O въглища m (a) и RO (b) в увличане и въглищна пепел при различни съотношения на киселинни и основни компоненти във въглищна пепел. В този прост теоретичен анализ, в допълнение към реалната връзка между механизмите на фрагментация и коалесценция, редица процеси не бяха взети под внимание, като например възможността за фрагментация на външни компоненти на пепелта, например разлагане на карбонати или фрагментация и изгаряне на пирит. Тези процеси значително влияят върху преразпределението на желязото и литературата съдържа противоречиви резултати и тяхната интерпретация. Така, според [12], обогатяването на шлаката с желязо (намаляване на летливата пепел) при изгарянето както на кафяви, така и на черни въглища е характерно, което е логично, тъй като най-големите и най-тежки частици се отделят в шлаката. Противоположните резултати, наблюдавани например при изгарянето на Ирша-Бородински въглища, в [12] се обясняват с факта, че желязото в тяхната минерална част е предимно под формата на сидерит (FeCO 3 ). За разлика от това някои публикации предоставятмнение за възможна значителна фрагментация не само на сидерит, но и на пирит в процеса на частично окисление и образуване на пиротин (Fe x S 1 x ), например [13]. Известно е също, че пиритът във въглищата има различни размери и морфологии [14]. Размерът на пирита варира от малки включвания, тясно свързани с органична материя, по-специално под формата на сферични тела - фрамбоиди с диаметър 0,5-1,5 микрона до големи кристални пиритни вени (хиляди микрона). В използвания набор от данни летливата пепел е обогатена с желязо, а не изчерпана в проучвания, проведени при 54