Состав и характеристики золы - плавкость, вязкость

При сжигании твёрдого многозольного топлива возникают затруднения, обусловленные плавлением золы и образованием шлака, обладающего определённой плавкостью и вязкостью, в зависимости от состава золы и температурных условий. В состав минеральных примесей твёрдого топлива входят вещества, имеющие как сравнительно низкую температуру плавления 800-1000 °С (оксиды натрия и калия), так и очень высокую - 1600-2500°С (оксиды магния и алюминия). Однако плавкость золы зависит не только от температуры плавления отдельных компонентов, но и от среды, в которой она нагревается. В полу-восстановительной среде, которая не содержит кислород, зато включает в себя восстановительные компоненты (СО, Н₂, СН₄) и CO₂, температура плавления золы топлива на 100-300 °С ниже, чем в окислительной среде, содержащей свободный кислород.

Стандартный метод определения характеристик плавкости золы (рис.2) заключается в постепенном нагревании в полувосстановительной среде специально спрессованной из золы трёхгранной пирамидки высотой 13 мм, в основании которой лежит равносторонний треугольник со стороной, равной 6 мм, причем одна из граней пирамидки перпендикулярна к её основанию. В процессе нагревания фиксируют характерные значения температур в печи, при которых пирамидка изменяет геометрические формы:

tа — температура, при которой вершина пирамидки начинает изгибаться или закругляться, - температура начала деформации;

tв.- вершина пирамидки наклоняется до основания, или пирамидка превращается в шар, - температура начала размягчения;

tc - пирамидка растекается по подставке - температура начала жидкоплавкого состояния.

Рисунок 2.2- Характерные конфигурации образца при определении плавкости золы:

1 - до нагрева; 2 - начало деформации; 3 - размягчение; 4 - жидкоплавкое состояние.

Температуры плавкости золы приводятся в таблицах технических характеристик топлив в справочной литературе.

В зависимости от температуры начала жидкоплавкого состояния tc, все твёрдые топлива разделяются на три группы;

• с легкоплавкой золой (tc< 1350 °С);

• с золой средней плавкости (1с= 1350-1450 °С);

• с тугоплавкой золой (tc>1450°C).

Большинство энергетических топлив имеют легкоплавкую золу.

Характерной является также температура, при которой все компоненты шлака полностью расплавляются, и в нём отсутствует твёрдая фаза (температура истинно жидкого состояния, или критическая). При такой температуре шлак подчиняется законам течения жидкости.

На работу топки (в первую очередь, на стойкость огнеупорных материалов) существенное влияние оказывают химические свойства золы и шлака топлива.

Оксиды, входящие в состав золы, можно разделить на три группы:

· кислые - SiO₂, ТiO₂, Р₂О₅;

· основные - CaO, MgO, FeO, K₂0, Na₂0;

· амфотерные - АL₂Оз, Fe₂O₃.

Для амфотерных оксидов характерно то, что в сплавах, содержащих преобладающее количество основных оксидов, они ведут себя как кислые, и наоборот.

Зола и шлак по химическим свойствам разделяются на кислые, основные и нейтральные.

К кислым относятся зола и шлак, у которых отношение содержания кислых оксидов к суммарному содержанию основных и амфотерных оксидов, называемое кислотностью, К> 1.

К основным - если отношение содержания основных оксидов к суммарному содержанию кислых и амфотерных, называемое основностью,0>1

Зола и шлак, не удовлетворяющие этим условиям, являются нейтральными.

Расплавленный шлак не только осложняет эксплуатацию слоевых и факельных топок, загрязняет конвективные поверхности нагрева котла, снижает интенсивность теплообмена, но может и разрушать огнеупорную обмуровку.

Огнеупорные материалы по своим химическим свойствам так же, как и зола и шлак, делятся на кислые, основные и нейтральные. Если футеровка топки выполнена из огнеупорного материала, химическая среда которого не соответствует химическим свойствам золы и шлака сжигаемого топлива (например, огнеупорный материал кислый, а зола и шлак основные, или наоборот), то между футеровкой и золой (шлаком) может произойти химическое взаимодействие, вызывающее интенсивное разрушение футеровки. Поэтому при выборе материала для футеровки стен топки необходимо учитывать химические свойства золы топлива, которое предполагается сжигать.

Экологические характеристики топлива, определяемые содержанием в топливе азота и серы, свойствами золы, содержанием в золе токсичных элементов, химическим составом золы, общим содержанием золы, наличием в топливе радионуклидов, подробно показаны на рис. 3.15. Здесь же приведена взаимосвязь между общим количеством топлива, экологическими характеристиками и их влиянием на условия работы топливоиспользующих установок (ТЭС, котельные).

При содержании SiO₂ в золе менее 20 % приравнивается к нетоксичной пыли с нормативным значением ПДК_МР = 0,5 мг/м³, а при содержании
SiO₂ = 20…70 %, что соответствует КАУ, величина ПДК_МР = 0,3 мг/м³.

Значительное количество окиси кальция в золе КАБ способствует более полному, по сравнению с низкокальциевой золой, переходу в биосферу токсичных микроэлементов. Поэтому для золы, отличающейся CaO более 35 % (что соответствует КАУ), ПДК_МР = 0,05 мг/м³.

При сжигании угля в пылевидном состоянии происходит существенное перераспределение элементов, их термодинамических и химических свойств и соединений. Из материалов лабораторных исследований ясно видно, что одни элементы, такие как кобальт, никель, цинк, преимущественно концентрируются в шлаке и фиксируются в минералах, образующих золу. Меньше накапливаются в золошлаках свинец, ванадий, марганец, молибден, хром, титан, барий. Часть микроэлементов (медь, цинк, свинец, марганец), образуя газообразные соединения, конденсируются на поверхности летучей золы, что усиливает ее токсикологические свойства.

Негативное воздействие на ландшафты (растительность, почва, вода) связывается с содержанием в золе биогенных микроэлементов. Это требует учета удельного количества выпадений золы на 1 км² территории.

Результаты исследований показали, что удельная радиационная активность золы-уноса ирша-бородинского угля близка к средней в земной коре, значительно ниже нормативов и не ограничивает ее использование в строительстве и сельском хозяйстве.

Основными выбросами в атмосферу при сжигании КАУ являются: оксиды азота, оксиды серы, пылевзвесь. Они регламентируются различными руководящими материалами (ГОСТ Р 50831-95, РД 34.02.305-98, Нормы технологического проектирования тепловых электрических станций, СНиП и др.).

Оксиды азота в топочных камерах образуются в виде: оксида (NO), гелексида (N₂O), диоксида (NO₂), азотного ангидрида (N₂O₃), тетраоксида азота (N₂O₄), азотного ангидрида (N₂O₅). Основным из них является NO. И хотя он относительно безвреден (ПДК = 0,6 мг/м³), его доокисление приводит к образованию вредного NO₂ (ПДК = 0,085 мг/м³).

Для КАУ при низком количестве серы в топливе образование серного ангидрида (SO₃) незначительно и не превышает 2 % от содержания сернистого ангидрида SO₂. Характерным для сжигания КАУ является высокий уровень связывания сернистого ангидрида свободной окисью кальция (CaO^св), уровень которой в золе этих углей может достигать 35 %. Происходит процесс сульфатизиции, в основе которой лежат реакции

CaO + SO₂ = CaSO₃,

2CaSO₃ + O₂ = 2CaSO₄.

Этот процесс способствует доведению степени сероулавливания до 70 %. Он характерен для углей, у которых отношение CaO^св/ SO₂> 1, что свойственно в первую очередь КАУ.

По характеристикам в экологическом аспекте золы КАУ отличаются:

· малой зольностью

· высоким содержанием CaO (до 60 и более процентов; содержание CaO^св= (3500…8000 мг×экв/кг);

· температурой точки росы на уровне 65°С (по SO₃, H₂SO₄) и 50…53 °С (по H₂O);

· дисперсным составом золы, характеризуемым содержанием частиц размером:

0…5 мкм – 4 %

5…15 мкм – 19 %