Свойства зольных частиц в составе ПС

Абразивность рабочего топлива вызывает интенсивный износ элементов топливоподачи: дробилок (била и других размольных элементов); течек в узлах пересылки; бункеров сырого угля; питателей угля.

Абразивность угля и пыли влияет на элементы системы пылеприготовления и транспорта пыли: размольные элементы мельниц (била, лопатки, броню, шары, размольные столы и др.); сепараторы; циклоны; мельничные вентиляторы; питатели пыли; пылепроводы; каналы первичного воздуха горелок.

Твердые частицы, выбрасываемые через дымовые трубы котельных, состоят из золовых частиц, несгоревшего топлива (коксовые частицы) и сажи. В процессе движения по газоходам котельной они могут образовывать сложные конгломераты, так как обладают довольно высокими аутогезионными свойствами (особенно сажа).

Состав выбрасываемых в атмосферу твердых частиц зависит от вида сжигаемого топлива.

Так, при сжигании твердого топлива в слое, что характерно для небольших, отопительных котельных, присутствуют частицы всех трех групп, причем основную долю составляют золовые частицы. В случае неудовлетворительной организации процесса горения доля коксовых и сажевых частиц будет возрастать и может достигнуть 40-50%.

При сжигании жидкого топлива образуются нефтяной кокс и сажа, при сжигании газового топлива — сажа.

В связи с использованием в последнее время низкосортных рядовыхуглей с зольностью, достигающей 40-50%, наблюдается рост выбросов частиц от небольших отопительных котельных. Несмотря на наличие у них золоуловителей, последние способны эффективно улавливают в основномчастицы размером более 50-90 мкм. На крупных котельных, ТЗС эффективность очистки значительно выше и достигает 98% за счёт устройства целой системы золо-сажеулавливания. В случае отсутствия золоулавливания выбросы твердых частиц малыми котельными будут соизмеримы с выбросами от ТЭЦ и ТЭС. В то же время надо отметить, что для слоевых топок выбрасываемые частицы размером до 10 мкм составляют не более 20% а для пылеугольных достигают 60% общего выброса.

Количество летучей золы, поступающей в атмосферу, зависит от следующих факторов: качества топлива, а точнее от его зольности и содержания мелкодисперсных частиц, способа сжигания; организации процесса сжигания.

Так, согласно действующих документов Печорский бассейн должен поставлять для коммунально-бытовых нужд угли марок Д размером 13—100мм и зольностью до 26,5%, Ж — размером 13—100 мм и зольностью до 15%, с наличием в них мелочи до 15% (характерно, что малозольные топлива имеют более мелкодисперсную золу, чем многозольные топлива). При сжигании этих углей на ручной колосниковой решетке доля золы в уносе будет 5-7%, при использований пневмомеханических забрасывателей - 6-8%, при сжигании на цепных решетках - до 10%; Нарушение ГОСТов на поставки углей, т.е. повышенная зольность и увеличение мелочи, ведут к росту выбросов твердых частиц.

Абразивность золы вызывает износ: конвективных поверхностей нагрева; элементов газового тракта; дымососов; элементов системы золоулавливания.

Например, коэффициент абразивности золы, определяющий утонение стенки поперечно обтекаемой трубы из стали 20 в местах ее максимального износа с концентрацией частиц 1 г/м³ и скоростью потока 1 м/с при равномерном распределении поля скоростей и концентраций при комнатной температуре в течение одного часа для некоторых углей составляет: кузнецкий уголь марки Т – а × 10⁹ = 5,4; канско-ачинский уголь – а × 10⁹ = 3,0; экибастузский уголь – а × 10⁹ = 8,8.

Сильное влияние на абразивные свойства золы оказывает ее минералогический состав и в первую очередь содержание в ней кварца SiO₂ и его конгломератов.

Абразивность шлака вызывает износ: лопаток устройств непрерывного шлакоудаления из-за котла; шлаковых дробилок; шлаковых каналов; шлаковых и багерных насосов; шлако-пульпопроводов

Правильная организация подачи воздуха на горение, оптимальное разрежение в топке будут способствовать снижению выбросов твердых частиц в приземную зону.

Унос частиц зависит от их размеров и форм, а также от кинетической энергии газового потока. Советскими исследователями, Е.В.Нечаевым и другими было предложено неравенство, в левой части которого подъемная сила потока, в правой — масса частиц с учетом вытесняемого объема.

где d_ч — диаметр частицы,м; W_г — скорость потока газов, м/с; р_г,р_ч плотности продуктов горения и частицы соответственно, кг/м^З; g— ускорение силы тяжести, м/с²; £ — коэффициент сопротивления £ = f(Re).

Скорость оседания частицы, м/с, зависит от ее размеров, мкм: 0,1 - 4*10-7; 1 - 4*10-5; 10 - 3*10-3, 100 - 0,3.

Фракционный состав летучей золы наиболее распространенных твердых теплив представлен в таблице 3.2; Анализируя эти данные, можно сказать, что частицы размерами от 10 до 20 мкм составляют 30% всех частиц по массе.

Таблица 3.2 Фракционный состав летучей золы при слоевом сжигании топлив

Топливо	Топка	Фракционный состав, %
Размеры частиц, мкм
0-10	10-20	20-30	30-40	40-50	50-60	60-86	86-100	100-и более
Антрацит АК (дробленый)	С ручным обслуживанием
Антрацит	То же
АРШ	Пневмомеханическийзабрасыватель (ПМЗ) с подвижной решеткой
Подмосковный уголь, Б	С ручным обслуживанием
ПМЗ с неподвижной решеткой
Донецкий уголь, Г	То же
ПМЗ с решеткой обратного хода
То же, Д	ПМЗ с неподвижной решеткой
ПМЗ с решеткой обратного хода
То же, Т	То же
Торф кусковой	Механическая цепная решетка

Максимальный размер золовых частиц может достигать 500 мкм, минимальный - до 1 мкм. Частицы размером до 1 мкм образуются в атмосфере в результате конденсации, размерами более 1 мкм могут образовываться в топках котлов впроцессе горения топлива.

Зола, обладая удовлетворительными аутогезионными свойствами, в большинстве случаев образует агрегаты.

Фазово-минералогические исследования состава золы различных топлив показали, что основой всех ее видов является стекло: кристаллическая фаза-кварц, гематит, магнетит и различные силикаты кальция. Однако с золой почти всегда присутствуют частицы несгоревшего топлива, которые имеют более крупные размеры. В этом случае состав таких агрегатов более сложен. В их состав входят соединения серы, углерода, водорода.

В крупных котельных системы золоулавливания и высотные трубы в значительной мере позволяют уменьшить выбросы частиц в атмосферу. Для отопительных и коммунально-бытовых котельных оптимальным вариантом можно считать перевод их на жидкое и газовое топливо. В этом случае можно достичь снижения выброса частиц в 100—200 раз по сравне­нию с твердым топливом при отсутствии золоулавливателей. С другой стороны, при сжигании жидкого топлива образуются мелкодисперсный нефтяной кокс и сажа, обладающие высокими токсическими свойствами.

Золовые частицы обладают абразивными свойствами, что ведет к повреждению поверхности нагрева котла. Абразивные свойства частиц зависят в основном от их формы: округлые частицы в 10 раз менее интенсивно разрушают металл, чем частицы, имеющие острые грани. С увеличением размеров частиц степень износа металла сначала возрастает (d_ч^max ~ 90 мкм), а при дальнейшем увеличении частиц — снижается.

Первичные размеры частиц от 0,5 до 5 мкм. В процессе агрегирования размеры увеличиваются до 5—30 мкм. В состав нефтяного кокса, а также конгломерата, состоящего из золы, кокса и сажи, входят соединения ванадия, натрия, серы (V₂O₅.V₂O₄, V₂O₃. V₂O₂, Na₂S0₄Na₂S₂0₇). Кроме того, присутствуют железощелочные сульфаты Na₃Fe(S0₄), оксиды железа и серы Fe₂О₃.SО₃, Fe₂(S0₄) _3. Коксовые и сажевые" частицы - это продукты недожога, в состав которых входит 98% углерода, остальное составляет водород, входящий в состав сажи или сопутствующих ей сложных углеводородов.

Твердые частицы сажи имеют размер от 0,04 мкм (канальная сажа) до 0,2 мкм (термическая сажа). Дальнейшее увеличение размеров частиц происходит за счет образования агрегатов, размеры которых 10 мкм и более.

При медленном разложении из сажи выделяется бенз(а)пирен. Принято считать, что сажа в чистом виде представляет собой продукт конденсации углерода, а мелкодисперсный кокс образуется в процессе сжигания жидкого топлива путем конденсации и полимеризаций в основном тяжелых углеводородных соединений и содержащихся в мазуте карбенов и карбоидов. С другой стороны, ряд исследователей при­держиваются концепции более сложного механизма образования сажи, согласно которой сажа является многоядерным углеводородом.

Опасные свойства сажи объясняются, видимо, присутствием в ней (или входящими в ее состав) сложных углеводородов типа бензапирена и т.п.

Образование сажи можно разделить на три основных этапа:

-образование радикала-зародыша;

-образование зародыша сажи (частицы, имеющей физическую поверхность);

-рост зародыша сажи.

Первые этапы представляют собой радикальные реакции, идущие с большой скоростью. В ходе процесса активность реакции снижается. В некоторый момент радикалы превращаются в зародыши, дающие начало новой фазе. С ростом зародыш теряет свойства радикал, приобретая свойства физической поверхности.

Рост зародыша происходит путем присоединения к радикалу С₂Н₂, C₂H, С₂при этом образуется низкотемпертурная сажа.

Водород, присутствующий в составе сажи, результат не физической его адсорбции, он химически связан с углеродом.
Возникновение и рост сажистых частиц при сжигании природного газа может идти значительно проще и быстрее через тяжелые углеводороды, присутствующие в составе природного газа (до 8% об.). Например, скорость выделения углерода при конверсии бутана в 10 раз превышает скорость его выделения из метана в аналогичных условиях.

При сжигании жидкого топлива процесс сажеобразования происходит аналогично приведенному выше, но значительно легче и быстрее, вследствие наличия в жидких топливах очень сложных многоядерных соединений, которые уже при 200—500°С начинают выкипать и разлагаться.

Образование сажи и кокса в ходе топочного процесса происходит параллельно, поэтому образующиеся на поверхностях нагрева отложения представляют собой сложный конгломерат сажи, мелкодисперсного кокса и минеральных примесей.

При сжигании твердого топлива выделяются продукты термического разложения органической массы (летучие), в состав которых входят H₂, CH₄, сложные углеводороды. Эти продукты являются источниками сажистых частиц, механизм образования которых изложен выше. Склонность к сажеобразованию увеличивается пропорционально выходу летучих, т.е. она наибольшая у бурых углей и наименьшая у антрацитов.

Изложенное выше позволяет сделать вывод о том, что образование и рост сажистых частиц зависят прежде всего от наличия достаточного количества окислителя в зоне горения, а также способа и качества смешения топлива с окислителем (воздухом). Кроме того, существенное влияние на образование и рост частиц оказывают состав и вид самого топлива и способ его сжигания, а также ряд других чисто технических факторов, например, объем и форма топочной камеры, степень экранирования топки, степень распыливания топлива, вязкость (жидкое топливо). Так, на рисунках 3.13—3.14 представлены концентрации сажи в зависимости от количества кислорода и способа его распыливания.

Рисунок 3.13 Зависимость концентрации сажи в продуктах сгорания от способа распыления.

Рисунок 3.14 Зависимость концентрации сажи в продуктах сгорания от избытка воздуха.

1 — механическая форсунка;. 2 — ротационная форсунка; 3 — паровая форсунка;

4 — пневматическая низконапорная форсунка

Хотя частицы сажи составляют менее 10% общей массы техногенных загрязнителей атмосферы, ущерб от этого загрязнителя существен. Твердые частицы; причиняют вред здоровью человека, поражая легкие, способствуют повышению скорости химических и фотохимических реакций в атмосфере, уменьшают прозрачность воздуха, увеличивают количество осадков, туманов, изменяют температурный уровень среды, влияют на почву и растительность.

Степень воздействия во многом зависит от размера частиц и их концентрации, а также химического; состава. Основным образом загрязняют атмосферу частицы размерами от 0,1 до 10 мкм. При размерах менее 0,1 мкм частица проявляет свойства молекулы, частицы размером от 1 до 20 мкм могут длительное время находиться в; атмосфере, следуя потоку воздуха. При размерах более 20 мкм время витания частиц незначительно. Столь широкий диапазон размеров частиц затрудняет эффективное использование однотипных золо- или пылеулавливающих устройств.

При исследовании воздуха городов было обнаружено что частицы размерами до 1 мкм составляют не более 3 % массы всех частиц, в то же время количество этих частиц огромно.

Подобные частицы способны проникать в легкие, в связи с чем существенную роль приобретают методы подавления эмиссии именно таких частиц. Попадая в атмосферу, они играют роль ядер конденсации, влияющих на образование облаков, дождя, снега.

Установлена определенная зависимость между интенсивностью выбросов частиц и количеством дождей: в промышленных городах в воскресные и нерабочие дни уменьшается количество осадков.

Взвешенные частицы сами по себе могут быть химически инертными или активными. Они способны поглощать химически активные вещества или образовывать химически активные комплексы и вызывать токсический эффект, если частица:

-токсична вследствие своего химического или физического строения;

-препятствует физиологическим процессам очистки респираторного тракта.

-является носителем адсорбированного на ее поверхности токсического вещества.

-инертные частицы загрязняют территории городов, фасады зданий и сооружений, внутренние помещения, а также одежду и ткани.

-частицы вызывают коррозию металлов либо непосредственно, либо воздействием адсорбированных разъедающих химикалиев.

В настоящее время еще недостаточно изучен вопрос о влиянии твердых частиц на растительность. Однако установлено, что цементная пыль, образуякорки на листве, приводит растения к гибели. Оксид магния, попадая впочву замедляет рост растений. У животных, питающихся растительностью покрытой фторсодержащими частицами, появляется кариес зубов. Попадание частиц, содержащих мышьяк, в корм скота может привести к смерти животных.

При глобальном загрязнении воздушного бассейна целой гаммой загрязнителей трудно, естественно, определить влияние на окружающую среду отдельнотого или иного компонента. В таблице 3.3 приводятся ориентировочные данные NAPCA о влиянии взвешенных частиц начеловека и среду.

В последнее время появилось много данных, свидетельствующих о том, чтобольшинство мелкодисперсных частиц обладают определенной канцерогенной активностью.

В технике пыле и золоулавливания к анализу химического состава газов прибегают главным образом в тех случаях, когда это оказывается удобным для выявления присосов воздуха в газоходы и аппараты, работающие под разрежением.

Таблица 3.3 Воздействие взвешенных частиц на окружающую среду и человека

Концентрация, мкг/м3	Время и условия воздействия	Результат воздействия
60-180	Среднегодовое среднегеометрическое в присутствие влаги	Увеличение коррозии стальных и цинкованных пластин
	То же, при относительной влажности менее 70%	Уменьшение видимости до 8км
100-150	То же	Уменьшение прямой солнечной радиации в 3 раза
80-100	То же с одновременным уровнем выпадением сульфатов 30мг/см2 в мес	Возможное увеличение смертности
100-130	То же при налиции в воздухе SO2=120 мкг/м3	Увеличение числа респираторных заболеваний у детей
	Среднесуточное при наличии в воздухе SO2>240 мкг/м3	Заболевание работающих, увеличение больничных дней
	Максимальное в течении 24ч при одновременной концентрации SO2>630 мкг/м3	Резкое обострение симптомов хронического бронхита
	Среднесуточное при наличии в воздухе SO2>715 мкг/м3	Возможно значительное увеличение заболеваний и смертных случаев

Для этого достаточно установить на входе в газоочистной аппарат и на выходе из него содержание какого-либо из легко поддающихся определению компонентов либо отсутствующих в атмосферном воз­духе, либо присутствующих в нем в отличной от очищаемых газов концентрации