Использование присадок к угольному топливу

Сейчас более четверти мировой потребности вразличных видах энергии удовлетворяется засчет сжигания ископаемых углей: антрацита, каменных ибурых. Приполучении электрической энергии потребление угольного топлива ещевыше исоставляет около 40 процентов.

Объемы потребляемого угля в различных отраслях мировой экономики из года в год повышаются. Так, только на теплоэлектростанциях за последние полвека использование этого вида топлива увеличилось более чем в двести раз. С повышением количества сжигаемого угля увеличивается и интенсивное загрязнение окружающей среды экологически опасными химическими элементами, соединениями и веществами – продуктами сгорания. Основными и наиболее значимыми из них являются оксиды азота (NO_x), оксиды серы/сернистый газ (SO_х), углекислый газ (СО₂) и твердые частицы углерода (С).

Очевидно, что дальнейшее увеличение производимой энергии за счет сжигания угля, а следовательно, и развитие энергетики, невозможно без разработки и внедрения эффективных способов снижения негативного воздействия на природу.

Одним из таких способов является сжигание угольного топлива с вводимыми в него присадками. Однако широкое применение их ограничивается сегодня в том числе и отсутствием достаточной и достоверной информации у эксплуатационников.



Что такое топливные присадки и топливные добавки?

Топливные присадки – это химические элементы, соединения или вещества, вводимые непосредственно в сжигаемое топливо с целью улучшения его эксплуатационных, экологических и других свойств, реализуемых как в процессе хранения, так и в процессе использования по прямому назначению. Топливные присадки различают по функциональности и агрегатному состоянию. Они могут воздействовать как на одно свойство топлива, так и на ряд его свойств, в последнем случае присадку принято называть комплексной.

По агрегатному состоянию они бывают газообразные, жидкие и твердые. Сегодня нашли широкое применение антидымные, антикоррозионные, антиокислительные, антидетонаторные, ингибиторные и другие присадки.

Зачастую специалисты отождествляют топливные присадки и топливные добавки, что совершенно неверно. Если присадка замещает часть топлива, уменьшая его количество в подаваемой на горение смеси (Т % + П % = 100%), то добавка вводится дополнительно, сверх подаваемого на горение количества топлива (Т % + Д % = 100% + Д %).

При этом присадками и добавками могут быть одни и те же элементы, соединения и вещества.



В чем заключается механизм действия присадок?

Присадки, поступая в зону горения, нагреваются до топочных температур (+1000 – +1300 °С и более). Под воздействием высоких температур сначала в присадке ослабевают, а затем и рвутся межмолекулярные связи. Первыми рвутся вертикальные связи. В результате разрыва образуются свободные электроны и протоны, которые перескакивают на орбиты других химических элементов и соединений, этот процесс сопровождается многочисленными микровзрывами и выделением дополнительной энергии, что визуально заметно по повышению светимости (эффект Ленарда) объема горения.

Вода, содержащаяся в составе присадки, интенсивно разлагается на атомарный водород (Н-), атомарный кислород (О+) и гидроксилы (ОН-).

Наличие химических элементов и соединений, поставляемых в зону горения в процессе термической трансформации присадки, интенсифицирует и активизирует процесс горения; изменяет соотношение реагирующих элементов, соединений и веществ; разбавляет действующие концентрации участвующих в реакциях компонентов; вносит в зону горения дополнительные кислород, водород и воду.

В результате действия присадки изменяются условия и механизм протекания всех физико-химических, в том числе и окислительно-восстановительных, реакций, выравнивается градиент (поле) температур по всему объему горения, снижается потребность в атмосферном воздухе, необходимом для сжигания топлива, уменьшается количество продуктов неполного сгорания и несколько увеличивается количество продуктов полного сгорания.

В результате на срезе дымовой трубы изменяется качественно-количественный состав, снижается температура выбрасываемых в атмосферу уходящих котельных газов и увеличивается их прозрачность.



Как определяется оптимальное количество вводимой в уголь топливной присадки?

При определении оптимального количества присадки, вводимой в топливо, следует помнить, что сама она не обладает калорийностью (теплотой сгорания или теплотворной способностью) и в горючей смеси является балластом, то есть забирает часть получаемой при сжигании тепловой энергии. В то же время функционирование присадки в зоне горения начинается после ее нагрева в определенном диапазоне внешних температур.

Поскольку плотность угля и присадки различна, то определение количества (или доли) последней необходимо рассчитывать не по массе, а по объему. Объемная доля присадки в уголь определяется исходя из теплотворной способности сжигаемого угля, его влагосодержания и влагосодержания вводимой присадки. Теплота сгорания топливной смеси должна быть не ниже минимально-допустимой теплотворной способности топлива, рекомендованной заводом-изготовителем для конкретного типа котла.

Очевидно, что использование топливной присадки для отопления котла не должно снижать требуемые выходные параметры (температуру, давление и производительность) вырабатываемого им продукта (пара или воды), в связи с чем количество вводимой в топливо присадки должно быть оптимальным.

Кроме всего прочего, оптимальное количество присадки определяется поставленной перед котельным комплексом задачей. Так, наибольшее ее количество необходимо вводить для обеспечения экологической чистоты, а наименьшее – для обеспечения работы комплекса на максимальных режимах.



Какой размер частиц присадки наиболее целесообразен?

Термин дисперсность, или размер частиц, как правило, используется в отношении жидких и твердых топливных присадок. С точки зрения воздействия присадки на процесс горения топлива целесообразно иметь наименьший размер ее частиц.

Однако использование присадки с минимальными размерами частиц приводит к появлению дополнительных затрат энергии на измельчение/диспергирование, что, в конечном итоге, увеличивает стоимость производимого котлом продукта.

С другой стороны – реализация технологического процесса мелкого дробления (измельчения) на практике не всегда реализуема, например, в силу технических возможностей оборудования.

Оптимальная дисперсность вводимых присадок для каждого способа сжигания топлива должна быть своя. При сжигании угля в кипящем слое она может быть наивысшей. При факельном и вихревом сжигании – средней: поскольку мелкие частицы присадки уносятся с газовым потоком в газоход и далее в атмосферу, а крупные частицы оседают в нижнюю часть котла. В этих обоих случаях присадка не работает. Исходя из опыта применения оптимальные размеры частиц должны быть для твердых присадок – 40 70 мкм, для жидких – не более 10 мкм.



Каким образом можно определить количество угля и присадки в подаваемой на сжигание горючей смеси?

В качестве одного из методов определения количества можно использовать математический расчет. Такой расчет производится по разработанной авторами специальной методике, которая позволяет с учетом фактических показателей физических свойств угля и присадки (плотности, влагосодержания, теплотворной способности и т. д.) определять весовые и объемные их расходы в горючей смеси для получения требуемых параметров работы котла. Кроме того, эта методика позволяет рассчитывать фактическую калорийность подаваемой на сжигание горючей смеси. Конечным результатом ее использования является определение количества сэкономленного штатного угольного топлива.

Для примера приведем результаты использования методики для котла теплоэлектростанции Eggborough Power Station (Великобритания).

Часовой расход угля с плотностью 1500 кг/м³, влагосодержанием 21 процент и низшей теплотворной способностью 20 370 кДж/кг на один котел указанной ТЭС на номинальном режиме составляет 240 тонн/час. В качестве присадки используется серпентин – твердый раствор с плотностью 2500 кг/м³ и влагосодержанием 3 процента. Горючая смесь, подаваемая на горение, включает 95 процентов угля и 5 процентов серпентина.

Результаты расчетов показывают, что применения 5 процентов серпентина в качестве присадки для одного котла ТЭС Eggborough Power Station позволяет экономить на номинальном режиме до 20 тонн/час штатного угля, что составляет около 8 процентов от расхода топлива на котел.



На каком этапе топливоподготовки и как вводятся присадки в топливо?

Топливные присадки могут вводиться в топливо перед его использованием, то есть на этапе хранения (например, в угольные брикеты), в процессе подачи топлива на горение и непосредственно на этапе его сжигания, в зону горения.

Присадки вводятся в топливо дозированно и предварительно подготовленные. Основной целью их дозировки и предварительной подготовки является наиболее рациональное использование по прямому назначению. Технологический процесс приготовления присадки определяется ее агрегатным состоянием и видом и, в самом общем случае, заключается в придании мелкодисперсного состояния, в равномерном распределении присадки по всему топливному объему с целью увеличения суммарной площади контакта с участвующими в реакции окисления химическими элементами, соединениями и веществами.

Для ввода присадки целесо­образно иметь в составе котельной установки специальную систему, позволяющую осуществлять ее подготовку, дозировку и равномерное распределение по всему объему топлива.



Каковы особенности сжигания угля совместно с топливной присадкой?

К особенностям сжигания смеси угля с присадкой можно отнести:

∙ снижение расхода атмосферного воздуха на горение;

∙ замещение части топлива присадкой;

∙ получение дополнительной энергии за счет термической трансформации присадки;

∙ образование в зоне горения дополнительных центров реакции окисления;

∙ снижение выхода продуктов неполного сгорания топлива и незначительное увеличение выхода продуктов полного сгорания;

∙ выравнивание и некоторое снижение температур по объему горения;

∙ уменьшение теплового и газового загрязнения атмосферы.



При каких условиях действие присадки наиболее эффективно?

Обязательными условиями применения топливных присадок, повышающих эффективность их использования, являются:

∙ уменьшение количества углеводородного топлива на величину оптимального количества топливной присадки;

∙ снижение расхода воздуха на горение до границы дымления на срезе дымовой трубы;

∙ оптимальный размер/дисперсность частиц присадки, вводимой в состав топлива;

∙ равномерное распределение мелкодисперсных частиц присадки по всему топливному объему.



Какие топливные присадки для угля используются в настоящее время?

Для углей в настоящее время в качестве твердых присадок нашли применение силанит, серпентин, железосодержащие кварциты, отходы металлообработки и другие. Как правило, все твердые топливные присадки имеют в своем составе SiO₂, Fe₂O₃, Al₂O₃, C_aO, MgO, MnO, K₂O, Н₂О, ОН-.



Какие топливные присадки к углю считаются перспективными?

К перспективным топливным присадкам, по мнению авторов, можно отнести как чистую, так и загрязненную нефтепродуктами морскую воду. Морская вода наиболее распространена на Земле, содержит практически все элементы Периодической системы элементов Менделеева, легко обрабатывается и транспортируется.



Чем отличается зола от сжигания угля с топливной присадкой?

Количество золы при сжигании угля с топливной присадкой несколько увеличивается за счет минеральной части присадки. В состав золы входят как продукты сжигания угля, так и продукты термической трансформации топливной присадки. В ней отсутствуют углерод и углеводороды. Структура получаемой при сжигании угля с присадкой золы отличается от структуры золы, получаемой при сжигании «чистого» угля. Она более рыхлая, имеет меньшее количество связывающих компонентов, слабо сцеплена с поверхностями конструктивных элементов топки котла, легко удаляема даже при вентиляции топки. Применение присадки, в конечном итоге, способствует снижению времени наружной чистки котла и повышению времени между чистками поверхностей нагрева котла.



Чем определяется скорость коррозионного износа элементов топки котла при сжигании угля с присадкой?

Скорость коррозионного износа элементов топки котла определяется наличием коррозионно-активных элементов в составе угля; количеством избыточного воздуха, подаваемого на горение; значением температур в объеме горения; суммарной влажностью угля, присадки и атмосферного воздуха и полнотой заполнения объема топки котла зоной горения угля. Известно, что сниженные расходы окислителя и горючего, уменьшение температуры в топке и выравнивание ее по объему горения замедляют скорость процесса коррозионного износа конструктивных элементов топки.

Опыт использования присадок показывает, что скорость коррозионного износа элементов топки со стороны дымовых газов не превышает аналогичный показатель при сжигании «чистого» угля и соизмерима с коррозионным износом внутренних поверхностей трубной системы котла со стороны воды.



Что можно отнести к недостаткам применения топливных присадок?

Применение топливных присадок к углю имеет и свои недостатки. К ним можно отнести:

∙ снижение теплотворной способности горючей смеси, подаваемой на горение;

∙ дополнительные затраты энергии на подготовку, ввод и работу присадки;

∙ необходимость наличия в составе котельного комплекса дополнительного специального оборудования;

∙ незначительное увеличение золо- и шлакообразования в котле;

∙ необходимость поиска источников и доставки требуемого количества присадки к месту использования;

∙ дополнительные финансовые затраты на приобретение, транспортировку и хранение присадки;

∙ выделение дополнительных площадей/объемов для ее хранения.

Тем не менее именно внедрение топливных присадок сможет хоть как то уменьшить негативное воздействие человека на окружающую природную среду при сжигании угля. Кроме того, как уже указывалось, это дает существенную экономию используемого топлива.

К. т. н. Евгений ДУБРОВИН, к. т. н. Игорь ДУБРОВИН