Поведение микроэлементов угля при его сжигании и оценка токсичности продуктов сгорания тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

КАЗАХСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Ш. Ч. ЧОКИНА

' од

1 П I л,. На правах рукописи

I и ¡:ЩЦ

АЛИЯРОВА МАДИНА БИРЛЕСОВНА

ПОВЕДЕНИЕ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ УГЛЯ ПРИ ЕГО СЖИГАНИИ И ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Специальность 01.04.14 — Теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Алматы, 1996

Работа выполнена в лаборатории топлива им.М.И.Вдовенко Казахского научно-исследовательского института энергетики им.академика Ш.Ч. Чокина

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ -

кандидат технических наук Н.Я.Чурсина СМ.С-

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ -

кафедра теплотехники и охраны атмосферы Казахской Государственной Архитектурно-строительной Академии

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ -

доктор химических наук,профессор Г.И.Ксандопуло доктор технических наук,профессор А.Ф.Гаврилов

Защита состоится и-1--РСгЯ 1996 г. в часов на

заседании специализированного совета Д27.08.01 при Казахском научно-исследовательском институте энергетики им.академика Ш.Ч.Чокина по адресу: 480012, г.Алматы, ул.Байтурсынова, 85.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке института.

Автореферат разослан

1996 г.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью, в двух экземплярах просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря Специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета Д27.08.01 с.н.с.,к.т.н. Ач«/*^ К.А.Сулейменов

К.А.С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Основными источниками получения тепла и электричества в большинстве стран мира (за исключением стран Персидского зачива, Туркменистана и частично Узбекистана) является сжигание твердых горючих ископаемых, называемых также твердыми топливами. К ним относятся: торф, бурый и каменный уголь, антрацит, а также горючие сланцы.

В твердых горючих ископаемых обнаружены, практически, все элементы Периодической системы. Содержание их весьма различно: углерода около 50% , кислорода 5-6% , азота около 1% и для кремния, алюминия, железа, кальция, магния, иногда натрия и калия более 0,5%. Концентрация большинства элементов, называемых малыми или микроэлементами, (за рубежом укрепилось название "trace elements" - следовые элементы), это в первую очередь, группы тяжелых металлов, благородных металлов, редких рассеянных злементоз, фтора и других, обычно менее 0,02-0,1%.

Однако, если учесть общий объем всего сжигаемого топлива, то в окружающую среду поступают микроэлементы в количествах больших во много раз, чем при разработке специальных сырьевых источников.

Природоохранные нормы, принятые в Европе, США и других странах предписывают ограничения по" выбросам некоторых из них. Действующее законодательство, например Акт о чистом воздухе США и руководство по качеству воздуха в Германии (TALUFT нормы) уже содержат указание о выбросах микроэлементов в атмосферу-

Исследования различных углей подтверждают, что содержание каждого из микроэлементов меняется в широчайших пределах от месторождения к месторождению. Оно также широко колеблется и внутри одного месторождения и даже одной выемки. Это затрудняет получение достоверных данных по распределению и поведению микроэлементов в процессе горения.

Микроэлементы,как правило, обогащают продукты сгорания и распределяются между следующими направлениями:

-в газообразном виде выбрасываются в атмосферу, -находятся в составе твердых остатков (в золе или шлаке) ,

-конденсируются на обтекаемых поверхностях.

Очевидно, что способ сжигания, температура сжигания и время пребывания в зоне горения оказывает заметное влияние на распределение исходного содержания микроэлементов по указанным направлениям.

Кроме того, в процессе горения может происходить разложение, окисление и восстановление этих элементов и их соединений и интенсзность каждого из этих процессов зависит от температурного уровня процесса сжигания, то есть, в конечном итоге, от схемы сжигания: слоевое сжигание - неподвижный, кипящий слой, циркулирующий кипящий слой; факельное сжигание - камерное, вихревое, с жидким шлакоудалением, с твердым шлакоудалением.

При организации процессов сжигания по различным схемам возникает необходимость изучения распределения микроэлементов между продуктами сгорания методами термодинамического анализа.

В настоящее время имеются отдельные данные по содержанию микроэлементов отдельно в исходном угле и отдельно в продуктах сгорания.Они недостаточно коррелируются между собой,так как получены без выполнения специальноых мероприятий по обеспечению их представительности и достоверности.

Несомненный конечный интерес представляет определение токсичности продуктов огневой обработки микроэлементов в топочном объеме. Однако для этих определений требуется получение представительных проб исходного угля и продуктов сгорания в достаточном для анализов -на токсичность количестве.

Все это определило цель и эадачи настоящего исследования.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ :

- получение подробных представительных данных по содержанию микроэлементов в исходном угле и в продуктах сгорания в зависимости от режимных параметров каждого типа топок;

- определение влияния на поведение микроэлементов схемы организации сжигания (слоевое, факельное, камерное) и температурного уровня процесса;

- проведение экологотоксикологической оценки химических веществ, выбрасываемых в окружающую среду, на примере выбросов УК ТЭЦ, в том числе с учетом рассеивания.

ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ, соответствующих данной цели необходимо решение следующих ъадач:

- выбор и отработка методики получения представительных проб

для проведения соответствующих анализов на поведение в процессе сжигания микроэлементов, на-конечные соединения микроэлементов в продуктах сгорания этого угля,

- выбор и, в отдельных случаях, разработка методики определения содержания микроэлементов в отобранных пробах,

- аттестация выбранных методик и контрольные опыты по проверке их достоверности,

- ЕЫбор объектов (топочных устройств), на которых могло бы быть проведено представительное сжигание,

- проведение опытов с сжиганием стабилизированной партии угля в топочных устройствах с различным температурным уровнем процесса,

- обработка и анализ поведения соединений микроэлементов исходного угля при переходе в конечные соединения для различных схем сжигания,

- выбор и отработка методики оценки токсичности микроэлементов к их соединений.

В данной работе было уделено особое внимание получению представительных проб, в связи с этим:

- для стабилизации характеристик исследуемой партии угля производилось многократное перемешивание сырого угля с использованием экскаватора (на открытой площадке) и кранового тельфера в бетонном бункере,

- для стабилизации осредненных характеристик и сопоставимости разных опытов во всех случаях (в разных топках) сжигалась одна и та же партия угля,

- в опытах, как правило, сжигался дробленный иди измельченный уголь (до пылевидного состояния),

- для обеспечения представительности пробы на анализ на содержание микроэлементов проба угля отбиралась из б точек каждого гаобеля (емкости для хранения и транспортировки угля или угольной пыли), отобранные пробы тщательно перемешивались и в случае использования дробленного угля, проба, (отрбранная из бункера дробленного угля).измельчалась до пылевидного состояния и из нее отбирались несколько (не менее 4-х) порций для дальнейшего анализа,

- для идентификации проб исходного угля и проб продуктов сгорания производилась гомохронизация отбора проб и соответственно отбор проб велся в течение всего опыта,

- для анализов, (включая оценку токсичности и радиоактивность) использовались утвержденные методики и аттестованные лаборатории специализированных организаций, включая лабораторию топлива института, (описание использованных методик приведено во второй главе),

—опыты со сжиганием исследуемой партии угля в различных топких (циркулирующий кипящий слой, аэрофонтанная топка, одиночной факельной горелки, циклонная топка с жидким шлакоудалени-ем) проводились на их специальных огневых моделях, созданных по методике КазНЖэнергетики,

- измерение основных параметров процесса (температуры, газового и фракционного состава, коэффициента избытка воздуха), а также составление необходимых балансов проводилось традиционными методами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ заключается:

- в получении1 данных по поведению микроэлементов, содержащихся в:исходном угле в-процессе сгорания топлива, включая оценку ш токсичности,

- в определении-распределения микроэлементов между газообразными и твердыми продуктами сгорания,

- в определении влияния температурного уровня процесса и коэффициента избытка воздуха на поведение микроэлементов,

- проведение опытов на специальных огневых моделях, что обеспечило ¡сореллируемость поученных результатов, с изменением основных режимных параметров. ' ' •

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные'данные позволяют:'

- дополнить традиционную схему, сертификации топлива данными по содержанию микроэлементов, содержащихся в исходном угле и в продуктах сгорания, ■:

- рекомендовать приемлемую схему сжигания данного угля в зависимости от содержания микроэлементов в продуктах сгорания и их токсичности, контроль за выбросами некоторых элементов,

- подготовиться к сертификации Казахстанских уп й по новейшим мировым стандартам. -, _

МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСЮБЁННОСГИ выполненного исследования:

- расширенное применение методов стабилизации характеристик сжигаемой партии угля,

- применение методов обеспечения представительности проб для анализа исходного угля и продуктов его сгорания,

- У -

- применение огневых моделей различных типов углесжигающих топок для определения содержания микроэлементов в зависимости от схемы сжигания,температурного процесса,

- применение медицинских методов оценки токсичности микроэлементов, содержащихся в угле и продуктах его сгорания,

- привлечение специализированных организации и лабораторий для проведения анализов.- требующих аттестованных учревдений и утвержденных методик,■(включая токсичность и радиоактивность).

Автор защищаете

- данные по псведенйю микроэлементов, содержащихся в исходном угле, полученные с применением комплекса мероприятий по обеспечению необходимой достоверности результатов, в процессе сжигания в разных типах топок.с различным температурным уровнем в зоне горения,' с отличающимися условиями протекания топочного процесса,

- данные по оценке токсичности микроэлементов и их соединений, выбрасываемых в атмосферу' в процессе сжигания углей различных месторождений.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД СОИСКАТЕЛЯ:

- адаптация известных методик стабилизации характеристик сжигаемого топлива к исследуемому случаю,

- обеспечение представительности отбираемых проб исходного угля и продуктов сгорания на "базе применения известных методик,

- обоснование применимости проведения этих опытов на огневых моделях топок, разработанных по методике института энергетик , -участие в проведении опытов, (исследований), по определению влияния температурного уровня процесса горения на поведение микроэлементов и их перераспределение между газовыми и твердыми продуктами сгорания,

- участие в освоении недостающих методик анализа содержания соединений микроэлементов в исходном угле и в продуктах сгорания,

- участие в_ работе по эколого-токсикологической оценке соединений микроэлементов, содержащихся в продуктах сгорания исследуемого угля/'""

- .участие в обработке и анализе полученных данных.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.Результаты исследований докладывались на Научно-технической конференции в городе Челябинске на тему "Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка

котлов", на НТС ПОЭиЭ "Алтайэнерго", на НТС АО "Семей", на НТС института энергетики.

Диссертация выполнялась в рамках научно-исследовательских работ (НИР), заказанных ПОЭиЭ "Алтайэнерго" и АО "Семей" по оценке выбросов микроэлементов, образующихся от сжигания кузнецкого угля, и их опасности для экологии города Усть-Камено-горска.Исследования по свойствам углей различных месторождений проводились в рачках задания Министерства энергетики и угольной промышленности Республики Казахстан.

ПУБЛИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ РАБОТЫ.

Основные результаты исследований опубликованы в трех статьях; в сборнике докладов Научно-Технической конференции.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Основной объем диссертации изложен на У^с, включая ■/¥ рис. и табл. и списка использованной литературы.

Диссертация состоит из введения,четырех глав и заканчивается краткими заключением.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность темы исследования, сформулированы основные задачи диссертационной работы.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ отмечается.что вопросу исследования микрокомпонентов, содержащихся в углях и продуктах его сгорания посвящено несколько работ институтов, бывшего Советского Союза и зарубежных исследователей.Обзор этих исследований позволил выяснить, что в настоящее время отсутствуют систематические исследования по поведению микроэлементов в процессе сжигания. А также отмечено,что определение микроэлементов,содержащихся в исходном угле будет становиться обязательным при их сертификации, (особенно при между народной)'.

Зарубежными исследователями было проведено изучение выбросов на различных станциях мира (Японии,Австралии,Нидерландов и других стран), сжигающих уголь в различных типах топок.Исходя из поведения микроэлементов,авторы склоняются к классификации малых элементов в три группы,в которых элементы показывают сходное поведение разделения между различными выходящими потоками (угольные остатки и дымовые газы) (см.рисунок 1.1).

1 группа - Элементы, которые сконцентрированы в твердых остатках или равно распределены между грубыми остатками и тонкими частицами.

- э -

Рии.Н ХлАЫИфИКМЯЯ Ш/СрОЭЛ£М£МО& по паьшнню s .прпцЕОпа емнглмя

.- - 10 -

Z группа - Элемента,которые улетучиваются в топке,ко конденсируются в потоке дымовых газов и сконцентрированы на тонких частицах.

3 группа - Летучие элементы, выбрасывающиеся в газовой

фазе.

Между группами нет резких границ, они могут перекрывать дг-'т друга, так как распределение микроэлементов между различными продуктами ¿горания,зависит от параметров процесса,особенно от температуры в зоне горения,так как летучесть элементов зависит от температуры.При различных схемах сжигания было получено,что выбросы при слоевом сжиганий (неподвижный слой, t-850-9000 С) по сравнению .с выбросами при сжигании в топке с факельной горелкой (t-1200-16Ö0"C) будут заметно ниже. Однако,это уменьшение частично зависит от времени пребывания частиц угля в зоне горения.которое способствует большему улетучиванию. ■ '■

Эксперименты показали,что при уменьшении толщины слоя, уменьшаются выбросы некоторых элементов. Более высокое содержание выбросов обнаруживается,для более глубокослойного ежи-, гания, что по-видимому,связано с увеличением времени пребывания частиц угля в зоне горения.

Высокая летучесть свободных или связанных с неорганической частью угля галогенов,присутствующих в угле значит,что при обычных температурах сжигания,они выносятся с дымовыми газами. Выбросы при факельном сжигании (t-1200°C) были получены для С1-99Х ,F-90X, Вг-60%, 1-90%.

Также установлено, что летучие элементы обогащают тонкозернистые частицы, выходящие вместе с дымовыми газами,следовательно, выбросы микроэлементов зависят и от эффективности систем газоочистки.

На большинстве электростанций мира частицы золы удаляются из дымовых газов с помощью электростатических и тканевых фильтров или мокрых скрубберов.

Относительно низкие температуры в мокрых газоочистителях позволяют сконденсировать многие микроэлементы в выбросах,находящиеся в газовой фазе.

'Рассмотрены также воздействия различных микроэлементов, содержащихся в выбросах TSC,на окружающую среду и имеются нормативы на их выбросы.(Акт о чистом воздухе США и нормы выб-

- 11 -

росов Германии (ТАШТ ког ч)).

В работах российских исследователей приведены результаты термодинамических расчетов сжигания угля.Расчеты проводились при значениях коэффициента избытка воздуха равных 1.0 и 1.2, в температурных интервале 400-1400'С с иагом ЮО'С.В результате получено,что избыток воздуха до 20 % практически не влечет изменений в поведении исследованных элементов,в их распределении между конденсированными и газообразными продуктами сгорания в пределах их возможных концентраций в угле. Тгда.е не оказывает влияния состав органической и минеральной частей сжигаемого угля.

Проведением термодинамического расчета на ЭВМ, было выяснено .при невысоком уровне коцентраций микроэлементов в угле определяющее воздействие на состав их ' равновесных продуктов будет оказывать температура сжигания. .

Результаты исследований по определению перераспределения тяжелых металлов были получены в котлах,-' сжигающих пылевидный кукерсит (разновидность горючих сланцев,зольность 40-60Х,теплота сгорания 10.5-11.6 Мдх/кг) при температуре 740"С, ' ц трех режимах при различных значениях коэффициента избытка .окислителя: 1 режим - 1.3-1.4, 2 режим - 1.17-1.24, 3 режим - 1.54 и температуре уходящих газов Ь-200"С.

Отбирались пробы- золы из-под холодной воронки, из-под пароперегревателя топки и уноса с электрофильтра. В полученных пробах определялось содержание меди, никеля, свинца, ванадия, цинка, молибдена. В результате получили, что парообразные соединения свинца при десублимации (переходе из газообразного состояния в твердоеминуя жидкое) образуют аэрозоли и улавливаются золой в конце газового тракта. Также по- результатам работы увидели, что в первом режиме,, который является наиболее оптимальным с экономической точки зрения концентрация свинца заметно выше чем при сжигании с меньшим или большим значением коэффициента избытка воздуха.

В золе с электрофильтра обнаружена большая концентрация цинка и ванадия. Причем для последнего заметно некоторое повышение концентрации при первом режиме горения (о(-1.3-1.4) .Д. л никеля и молибдена распределение в золе оказалось приблизительно одинаковым во всех режимах.

В итоге, получили результаты, показывающие зависимость

концентраций ряда тяжелых металлов в золах от режима горения (от избытка воздуха,изменяющегося в диапазоне 1.3-1.54), и повышение их содержания в золе к концу газового тракта.

Как и в результатах, полученных зарубежными исследователями тяжелые металлы, как правило, относятся к элементам второй группы ( элементы,которые улетучиваются в топке,но конде-сируются в потоке дымовых газов и сконцентрированы на тонкозернистых частицах), (см рисунок 1.1).

Таким образом,начиная с середины 80-тых годов начаты исследования по поведению микроэлементов, содержащихся в исходном угле,в процессе сжигания.Получен ряд закономерностей - обогащение продуктов сгорания,конденсация ряда элементов на мельчайших частицах,выброс некоторых в газообразном виде к т.д.

Имеющиеся результаты получены без соответствующих дополнительных подготовительных и методических работ по обеспечению представительности отбираемых проб исходного угля и продуктов его сгорания и особенно по кореллируемости полученных результатов. Эти измерения выполнены на разных станциях, в разное время, при сжигании различных углей.

На основании этого анализа сформулирована основная задача диссертации - получение достоверных и представительных данных по поведению микроэлементов в зависимости от схемы сжигания, температурного уровня в различных топочных устройствах одной и той же партии исследуемого угля, . применимости для этих целей огневых моделей топок, созданных в институте энергетики, оценка токсичности элементов и их соединений.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена описанию использованных в этой работе методик. Здесь особо акцентировано внимание описанию подготовки исследуемой партии угля к сжиганию, - для. исключения влияния колебания содержания микроэлементов от способа выемки топлива. Достаточно жесткое требование предъявлялось к отбору проб исходного топлива перед проведением и ъО время проведения опытного сжигания, (применялись известные методы усреднения ), но отборы проб производились особенно тщательно и при существенном увеличении числа отбираемых проб.

На рисунке 2.1 дана схема стабилизации характеристик исходного угля, примененная в нашей работе по исследованию поведения микроэлементов,содержащихся в угле, в процессе сжигания.

В таблице 2.1 приведено сравнение содержания микроэлемен-

- УЗ-

i ' 2 3

6 5 А

Рна. 2.1 СХЕМА ОрГАМбАДНН СЛГА&НЛН5А-

Цин ХАРАкт£Рнс/янк угля

{. - /¡ВрЕМЕШН&АМЕ HА ОЛ7Кры/РОИ JTAO&fMSte 2 - БеЛГОННЬШ С Л7£4Ь<р£рОЛГ

3- CucmzMA 4/>овЛ£////я угля жробллшого ¿//uff

5- М0ЛО/7ГХ?О0Ы£ *ГЕЛЬ#НЦ6/

6-БУМя ЕР л7ошн&А

6- ¿ftftfAO//- Л6ШУЛ06#ЛГ£ЛЬ .

Таблица 2.1

Содержание микроэлементов в пробах кузнецкого угля, отобранных во время проведения опытов (данные приведены на содержание в угле и пересчете

на 100% 80лу),г/т

Уголь,сжигавшийся в моде- А Р С1 Аг Нг N1 РЬ Си гп Сг № Со & V Ве 1.1 Ш лях X

18.05.92 60 391.6 6.5 0.06 23.2 23.2 52.5 39.7 13.3 157.5 12.0 24.0 93.0 1.7 9.8 3.0 ^

Модель цикл. 22.9

топки с жид- 262. 1703. 28.4 0.26 101.3 101.3 229.3 173.4 58 1 687.8 52.4 104.8 406.1 7.4 42.9 13.1 *

ким шлако-

удалением

17.03.93

Модель аэро- 61.1 290 0.4 0.08 15.7 28.1 15.8 76.0 12.3 99.3 17.1 25.3 109.8~ 1.4 6.8 5.5

фонтанной 20.7

топки 295.1 1401 1.8 0.39 75.8 135.7 76.3 367.1 59.4 497.7 82.6 122.2 530.4 6.8 33. 27.

тов в порциях углей, (около 30000 кг в каждой),сжигавшихся в разных моделях в разное время. Можно заметить, что принятые меры по усреднению обеспечили приемлемую стабильность содержания микроэлементов.

При проведении опытов на действующей станции и отборе проб с золоотвала отбор проб производился также тщательно. Например, отбор проб из золоотвала, (водохранилища), проводился специальной геологической организацией, (Алтайской геолого-геофизической экспедицией), по правилам опробывания новых месторождений. (См.рисунок 2.2)

Учитывая специфичность многих анализов, на ряд микроэлементов , (включая оценку токсичности и радиоактивность)« участию в работе привлекались специализированные организации:

- НИИ гигиены и профзаболеваний Министерства здравоохранения РК, - оценка токсичности выбросов и их соединений на УК ТЭЦ,

- Всероссийский теплотехнический институт (г. Москва) - участие з отборе проб,расчет максимальных приземных концентраций вредных веществ на УК ТЭЦ,количественный микроэлементный анализ,

- Всероссийский научно-исследовательский институт рыбной промышленности и океанологии(г.Москва) - определение концентрации бенз(а)пирена в выбросах УК ТЭЦ,

- АО "Механобр-Аналит(г.Санкт-Петербург) - определение форм нахождения малых элементов в угле и продуктах его сжигания.

- Государственный научно-исследовательский энергетический институт им.Г.М.Кржижановского (ЭНИН) (г.Москва) - определение радиоактивности'золошлаковых отходов.

Все это, в определенной мере,позволяет считать,что полученные результаты обладают необходимой достоверностью.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвяшена описанию опытов, проведенных на огневых моделях различных топок при сжиганий кузнецкого угля, их анализу и обобщению этих результатов. Для удобства чтения и сопоставления каждая серия опытов,•(на различных топочных устройствах) предваряется конструктивными и режимными параметрами и общими видами использованных моделей топок.

Определен микроэлементный состав сожженного топлива, приведены значения для всех проб, отобранных во время проведения данного опыта.

Также приведены:

- величины избытков воздуха на выходе из топки,

- максимальные температуры в топочном объеме.

Практически,во всех случаях наблюдалось обогащение микроэлементами продуктов сгорания, что соответствует поведению обычных элементов, содержащихся в исходном топливе (см. гистограммы распределения микроэлементов в продуктах сгорания угля) .

Анализ результатов опытов проводился отдельно для трех групп элементов, с различным поведением в процессе сжигания, предложенных Международным Энергетическим, Агентством.

Сжигание производилось на огневых моделях при максимальных температурах в зоне горения: - циркулирующего кипящего слоя, (1-950°С),- факельной горелки. (1-1360°С), - аэрофонтанной топки,а-650°С и 1-1170°С),- циклонной топки с жидким шла-коудалением,(1-1650° С).

Влияние температуры в зоне горения, при двух различных схемах сжигания, (аэрофонтанная топка и циклонная топка с жидким шлакоудалением), на возгоняемость некоторых элементов показана на рисунках 3.1 (а),(б),(в),(для которых наиболее четко выражена зависимость или отсутствие таковой обогащения микроэлементами продуктов сгорания от температуры сжигания). На рисунке 3.2 изображена зависимость кратности обогащения летучей золы микроэлементами для различных схем сжигания,( где ЦКС -циркулирующий кипящий слой, АФ-аэрофонтанная топка, Ф-факель-ное сжигание, ДШ-циклонная топка'с жидким шлакоудалением).

Проведя анализ полученных данных, можно заметить, что содержание рассматриваемых элементов в продуктах сгорания зависит от схемы сжигания угля, температурного уровня. Чем выше температура в зоне горения,тем выше степень возгонки некоторых элементов, таких как бериллий, цинк, свинец, литий и никель (Ве,гп,РЬ,11,М1). Эти элементы при традиционных схемах сжигания, как правило, относятся к элементам, конденсирующимся на тонкозернистых частицах, выносящихся из зоны горения дымовыми газами.Для ряда элементов, при всех схемах сжигания в исследованном диапазоне температур, было обнаружено равномерное распределение во всех зольных остатках, (в шлаке и уловленной золе). По-видимому, температура возгонки для них лежит выше заданной в опытах температуры в зоне горения. К равномерно рз~п-

K- KPAmäaem авагмцямя лраАхтое, сгорлння

/ТО СрА&Н£#НЮ С

П-ШЛА*

Щ-у//аа MÍ румб#ога фмытгрА

g-y/fOC 1ГОСЛ£ РУКАВНОГО фНЛАПТрА И-УЛТМ Hi ЦИКЛОННОГО ЬОЛОУЛО&МЛ7£А!Г

Рис. 3. /о. £>AHRHSf£ ¡П£МЛ£РА ЛГУРЫОГО УРО&НЯ

ЛР0Ц£йСА НА ао4£Р#АМ£ & /7pojy#-ЛГАХ сгорлння Б Ерш АНЯ.

- {в—

Pttû. -5. /а ЪлняНИ£ тлтюрллгурныо э/оолня

яроС с а fiAC/7fi£¿£A£MH£ ДИН*А

6 ПрОДЫХ/ГГАХ С.ГорАУНЯ.

- -

<N

ределенньм в зольных остатках элементам по данным нашего исследования можно отнести марганец, медь, ванадий, хром, кобальт.

По данным, полученным в нашей работе распределение стронция не выявило четкой закономерности поведения в процессе горения,что требует проведения дополнительных исследований. По рисунку 3.3 видно как происходит уменьшение содержания микроэлементов в шлаке при сжигании в различных режимах в топке с факельной горелкой.Температура в зоне горения и коэффициент избытка, воздуха при режимах соответственно: 1-ый - 1-1310°С о(- 1.25, 2-ой - 1-1360,Со(-1.59дЗ-ий - 1-1410°С 0<-1.2.

Таким образом,увеличение коэффициента избытка воздуха ведет также к уменьшению содержания микроэлементов в шлаке (например, для цинка, свинца, бериллия), хотя не исключается возможность совместного воздействия температуры в зоне горения. ведущей к увеличению возгоняемости некоторых элементов, и коэффициента избытка, окислителя.

По результатам анализа продуктов сжигания угля и коэффициентам шлако- и золоулавливания в моделях были выполнены балансовые расчеты содержания микроэлементов в угле (обратный баланс),по которым видно,что результаты расчета приблизительно равны результатам эксперимента для никеля, свинца, меди, цинка, хрома, марганца, кобальта, стронция и лития.

Говоря о третьей группе элементов,переходящих полностью в паро- или газообразное состояние и не цяндесирующихся в пределах котла,необходимо отметить - это галогены фтор,хлор а также ртуть,которая также выбрасывается в газообразном виде. По данным наших экспериментов можно заметить,что при всех способах сжигания в твердой фазе они не обнаруживаются, произведенный отбор газовой фазы за рукавным фильтром,показал наличие вышеперечисленных элементов в газообразной фазе, что соответствует их поведению в процессе сжигания.

Для мышьяка,фтора и хлора при низкотемпературном сжигании и для кадмия при высокотемпературном сжигании расчетные и экспериментальные данные также приблизительно равны.

При учете,что проводились не специальные балансовые расчеты, результаты можно признать удовлетворительными.

В конце какого опыта лады, рисунки распределение микроэлементов в различных продуктах сгорания.

С- Qo&ep>HAHH£ микроэлемент*, оС- КОЭффМЦИЕН/Я МЛ6ЫЛ7ИА АОЗ^УХА.

рис. 3J. ВлИЯНИ£ КОЭффНЦН£НтА Н366ШХА &ОЪА УМ tíA CO¿£pMAM£ Ш/?роЭА£М£#-

/7ГО& S (/?РН С M tirЛ МИН #А МО-

]Д£М ФАКЕЛЬНОЙ ropastitt /три /¡грех p£w*MA*J

- 23 -

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА содержит результаты, полученные на действующем агрегате и из золохранилища Усть-Каменогорской ТЭЦ. Дан микроэлементный состав сжигавшегося угля и продуктов его сгорания. Определен фазовый состав выбросов, их токсичность и радиоактивность микроэлементов, в пробах отобранных из золоот-вала.Сжигание производилось на двух котлах высокого давления БКЗ-320/140-3 и двух котлах среднего давления типа ЦКТИ-75-39Ф.

Произведен расчет рассеивания выбросов микроэлементов на ЭВМ по унифицированной программе ЭФИР-б.ОЗ для двух периодов: на существующее положение с учетом природоохранных мероприя- . тий,существовавших на УК ТЭЦ в 1992 г. (две дымовые трубы высотой 100 м, степень очистки дымовых газов за котлами ЦКТИ-75 - 96.01 , за котлами БКЗ-320 и Е-500 - 96.5%) и на перспективу согласно плана природоохранных мероприятий (ввод в действие новой дымовой трубы высотой 180 м взамен существующих и повышение эффективности золоулавливания до 97.3%).

По полученным результатам кратностей обогащения продуктов сгорания по сравнению с исходным углем были построены гистограммы распределения микроэлементов мезду шлаком и золой,где видно ,что зола не уловленная в котле и выбрасываемая в атмосферу с дымовыми газами,обогащается, практически, всеми рассматриваемыми элементами, (см.рисунки 4.1 (а,б,в)).

В основной массе, микроэлементы распределились в продуктах сжигания угля,также как и при сжигании на огневых моделях • топок. В большей степени испарились в топочном объеме такие элементы - свинец, цинк, молибден, кадмий, стронций. А в меньшей степени - марганец, кобальт, ванадий, эти элементы .как правило, относятся к чгглу элементов, распределенных в грубых остатках.

Поведение некоторых элементов в топочном объеме при сжигании на действующем агрегате, отличается от поведения в топках моделей, что допускается, так как общая картина поведения микроэлементов при сжигании в моделях и в топках котлов УК ТЭЦ остается неизменной - продукты сгорания угля обогащаются микроэлементами по сравнению с углем. Таким образом, полученные данные, при сжигания); в моделях коррелируются с данными о поведении микроэлементов в процессе сжигания на реальном агрегате.

ГхвтОГрАММЫ рл 2J7p£.¿EÁ£//## МикрозлеМЕ//лто& S щооажмак СГорА#я$г угля, смнгА&шегоа? У к ТЭЦ,.

- ze-

it

а -

гШ

P/fÛ.

2JÛ

J6

/.2

8

~Си~\

Рис. 4.a.

- 26 -

При разработке перечня микроэлементов,рекомендуемых для контроля в выбросах УК ТЭЦ,учитывался мировой опыт ругулиро-вания выбросов токсичных микроэлементов в атмосферу угольными электростанциями и региональные особенности экологически неблагоприятных территорий,а также проведенная оценка их токсичности. (Для расчета выбросов пробы отбирались в период максимальной нагрузки котлов).

В результате проведенного исследования,даны рекомендации по контролю за выбросами Усть-Каменогорской ТЭЦ в атмосферу. Реализация запланированных природоохранных мероприятий должна привести к уменюшению концентрации микроэлементов в выбросах за счет повышения степени золоулавливания и улучшения условий рассеивания выбросов,благодаря вводу более высокой дымовой трубы.

Известно, что радиоактивность угля ниже,чем других природных источников,беспокойство возникает в связи с тем,что при сжигании у^т некоторая радиоактивность достигает атмосферы или накапливается в твердых отходах угольной переработки, и приплюсовывается к фоновой радиоактивности.

Отобранные пробы из золоотвала исследовались на радиоактивность. Были ..олучены результаты, которые свидетельствуют, что по удельной радиоактивности отходы данного, золоотвала удовлетворяют требованиям норм радиационной безопасности . НРБ-76/87. Следовательно, сжигание данного угля не приводит к увеличению радиационного фона в рассматриваемой местности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненное исследование посвящено изучению поведения микроэлементов, содержащихся в исходном угле, в процессе.его сжигания. Опыты проводились на действующем агрегате и на огневых моделях различных топочных устройств (циркулирующего кипящего слоя, одиночной факельной горелки, аэрофонтанной топки и циклонной топки с жидким пшакоудалением).

Основные результаты исследований сводятся к следующим:

1. Получены данные по распределению микроэлементов кузнецкого угля'в продуктах его сжигания в топке действующего котла и огневых моделей топок с различными схемами сжигания.

2. Получены количественные зависимости кратностей обогащения летучей золы и шлака микроэлементами по сравнению с исходным углем в зависимости от схемы сжигания , температуры го-

- 27 -

рения и режимных параметров процесса.

3. Показано,что правило разделения микроэлементов на различные группы в зависимости от их поведения в процессе горения сохраняется,практически, для всех типов топочных устройств.

4. Установлено, что содержание микроэлементов, возгоняющихся с последующей конденсацией на частицах золы,возрастает по мере уменьшения размеров этих частиц.

5. Показана возможность применения огневых модлей топочных устройств для получения представительных и достоверных результатов по поведению микроэлементов угля в процессе его сжигания.

6.'Установлено,что использование известных методов стабилизации характеристик сжигаемого угля обеспечивает приемлемое постоянство содержания микроэлементов в отбираемых пробах исходного угля и продуктов сгорания.

7. Проведена классификация опасности химических соединений и,в частности,микроэлементов по основным показателям токсикометрии и типу действия на те или иные системы живого организма при низких уровнях воздействия.

8. Приведен перечень химических веществ,в выбросах УК ТЭЦ,требующих периодического контроля.

9. Расчеты показали,что максимальное загрязнение воздуха большинством микроэлементов существенно меньше ПДК.

10. Реализация рекомендованных и запланированных' мероприятий должна привести к уменьшению примерно в 5 раз по. элементам содержащимся в дисперсной фазе,в 4 раза - по газообразным соединениям хлора и ртути.

11. Радиоактивность золошлаковых отходов сжигания кузнецкого угля соответствует ь. ¿мам радиационной безопасности.

В качестве задач дальнейших исследований можно отметить -проведение дополнительных опытов по выявлению влияния режимных параметров топочных процессов на содержание микроэлементов в продуктах сгорания, уточнение некоторых закономерностей их обогащения микроэлементами,расширение диапазона исследуемых углей.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Алияров Б.К., Чурсина Н.Я., Жармухамедова A.A., Долгих С.А., Алиярова М.Б., Стричишин A.B., Вдовченко B.C., Киселева Н.В., Давыдова В.Н., Лаврова Н.В. Микроэлементы в кузнецких

углях и продуктах их сжигания./ Электрические станции N6,1993/ М..Энергоатомиздат, 54-57 с.

2. Алиярова М.Б., Чурсина Н.Я., Котов Г.В., МихееваИ.В., Строганов Д.Н. Экологически вредные примеси в углях и продуктах их сжигания. - КаэгосИНТИ, N 6945-КА 96 -Деп.19с.,29.04.96

3. Алиярова М.Б. Стабилизация характеристик исходного угля для исследования поведения микроэлементов в процессе переработки топлива. - КазгосШТК, N 6946-КА 96 -Деп.7с. ,29.04.96

4. Алияров Б.К., Чурсина Н.Я., Жармухамедова А.А., Долгих С.А.. Алиярова М.Б., Вдовченко B.C., Киселева Н.В., Давыдова В.Н., Лаврова Н.В. Микроэлементы в кузнецких углях и продукты их сжигания. В сборнике докладов Научно - технической конференции "Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов", - Челябинск: 1992, с.18-24.

01.04.14-жылуфизик& жанз моле куларлык; физика мамандыгы бой-шяа техника гылымдарыныц кандидаты атагын алуга арналган Алиярова Мадина Б:рлэсКызыла диссертациясыньщ Резсмесх

Kewipfli^ курамына кгрэтш мпкроэлементтердхц жану кззхндэ-ri езгерхух кэне олар'дыц жану к;алдацтарына газтектес жэне кул-иен кожда белхну! зерттзлген.Зерттеу кузбастын кемхрш жылу электр оталциясыныц цазвнньщ опагында кзнв кемхр жагатын эр-•гурлх оша^гарыньщ оттыц улг1лврынде юфгхзглген.Кемхрдхц ми-кроэлеыентерш1Ц 6ip тобы нег131нде кулдыц ете майда кыйыршад-«врында тыкггалатыны жэне 'Оныц мелшерп басталцы квмхрдзгх мэл-шврын кеп артыц болатыны ачыкталгад.

Жану цв. адь»?р арындагы микроэлвмвнттердхц цоршагвн орт ар а жэне ripi кандыкгвр 'мен «двмдарга всврг аны¡çramn онщ ыешя-piHirç оларра rçayni юкгыги керсотхлген.

RESUME

Dissertation for doctor of technical sciences Alyarova Madyna B& for spesiality 01.04.14 - heatphislc and moleculary phisic The changing of trase elements during burning of coal was investigated for the existing coal-firing boiler (Ust-Kamenogorsk power plant) and the models of furnace different cons-tructions&It was found the concentration of trace elements in the volataile ash is more then in fossile coal. The concentration of them increseas for the infinitesimal ash. The estimation of toxicity of trace elements show lower level of them.