Свойства минеральных сорбентов применительнок технологиям топливосжигания

на правах рукописи

Буваков Константин Владимирович

СВОЙСТВА МИНЕРАЛЬНЫХ СОРБЕНТОВ ПРИМЕНИТЕЛЬНО
К ТЕХНОЛОГИЯМ ТОПЛИВОСЖИГАНИЯ

05.14.14. – тепловые электрические станции,
их энергетические системы и агрегаты

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск – 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Томский политехнический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Заворин А.С.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лебедев В.М.

кандидат технических наук Захарова Л.Г.

Ведущая организация: Региональный Центр управления энергосбережением
(г. Томск)

Защита состоится «25» мая 2007 года в 15 часов на заседании диссертационного совета К 212.269.04 в Томском политехническом университете по адресу: 634034, г. Томск, пр. Ленина, 30, корпус 4, ауд. 406.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Томского политехнического университета по адресу: г. Томск, ул. Белинского, 55.

Автореферат разослан «___» апреля 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Заворин А.С.

Актуальность работы определяется ее соответствием современным тенденциям в развитии топливно-энергетического комплекса России, а именно направленностью на сокращение техногенной нагрузки угольных тепловых электростанций на окружающую среду, включая вопросы ограничения выбросов вредных газообразных веществ, ликвидации разливов при повреждениях элементов мазутного хозяйства и хранения нефтепродуктов, расширения сферы утилизации золовых отходов от сжигания углей. По своей актуальности тема диссертации, объекты исследования и полученные результаты имеют большое значение не только для теплоэнергетики, но и для других отраслей деятельности, использующих различные технологии сжигания твердого топлива.

Работа выполнялась в соответствии с основными направлениями научной деятельности Томского политехнического университета («Разработка эффективных технологий и материалов на основе природного и техногенного сырья», «Разработка методов и средств повышения надежности и эффективности эксплуатации энергетических объектов») и в продолжение исследований, выполненных ранее в ТПУ в соответствии с научно-техническими программами «Исследование и освоение сжигания канско-ачинских углей на электростанциях КАТЭКа», «Сибирь», «Экологически чистая энергетика».

В настоящей работе поставлена цель изучения сорбционных свойств минеральных сорбентов применительно к условиям топливосжигания и получения на этой основе технологических параметров процессов газоочистки.

Исходя из указанной цели определены следующие задачи исследований:

• выявление в структуре угля и его золы (уноса) минералогических компонентов, являющихся аналогами или подобием известных материалов с сорбентными свойствами;
• экспериментальное исследование сорбционной способности золы (уноса) относительно оксидов азота и серы в условиях, приближенных к технологии сжигания угля на ТЭС;
• экспериментальное тестирование сорбционной способности таких крупнотоннажных техногенных отходов как зола от сжигания энергетических углей и углистый аргиллит относительно нефтепродуктов;
• сравнение сорбционных характеристик исследованных техногенных отходов и природного цеолита как широко апробированного и универсального сорбента;
• обоснование технических параметров и рекомендаций для исследованных минеральных сорбентов в технологиях топливосжигания.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• получены физико-химические характеристики золы от сжигания энергетических углей, в том числе классификационные признаки морфологических типов частиц уноса, совокупность которых расширяет основания для новых сфер утилизации этого вида техногенных отходов;
• впервые получены экспериментальные данные о кинетике сорбции оксидов азота и диоксида серы золой (уносом) из потока газовой среды, приближенной по составу к дымовым газам энергетических котлов, и о сорбционных свойствах золы в зависимости от ее состава и концентрации сорбируемых газов;
• охарактеризована сорбционная способность золы (уноса) и углистого аргиллита из отвальных пород горно-шахтных выработок относительно нефтепродуктов в сравнении с цеолитом клиноптилолитового типа как эффективным природным сорбентом;
• на уровне изобретения предложено техническое решение по использованию золы для частичной очистки дымовых газов от токсинных оксидов, реализующее научные результаты исследований.

Практическая значимость диссертационной работы определяется тем, что:

• полученные результаты лабораторных исследований пригодны для использования в качестве расчетных технологических параметров устройств сорбентной очистки в системах газоудаления котельных установок и топливного хозяйства тепловых электростанций;
• результаты экспериментального тестирования сорбционной способности минеральных отходов энергетического и угледобывающего производств создают предпосылки для расширения сферы и наращивания масштабов вторичного использования техногенного сырья;
• отдельные рекомендации, технические решения и сорбционные эффекты подтверждены в натурных условиях экспериментальной эксплуатации опытных установок на Иркутской ТЭЦ-6 и Новоиркутской ТЭЦ;
• материалы выполненных исследований используются в учебном процессе по специальности «котло- и реакторостроение» в Томском политехническом университете (включены в лекционный курс по дисциплине «Методы защиты окружающей среды», в тематику выпускных квалификационных работ и учебно-исследовательской работы студентов).

Достоверность результатов проведенных исследований, обоснованность научных положений и выводов обеспечиваются: применением различных физико-химических методов с высокой разрешающей способностью, в том числе рентгеновской дифрактометрии, рентгеновской флюоресцентометрии, электронного зондирования, электронно-растровой микроскопии; сочетанием апробированных, включая стандартизованные, и оригинальных методик экспериментальных исследований; применением методов статистической обработки экспериментальных результатов и анализом погрешностей эксперимента.

Часть инструментальных исследований выполнена на оборудовании институтов Уральского отделения РАН в период научной стажировки диссертанта в Уральском Всероссийском теплотехническом НИИ (Урал ВТИ) в рамках Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки» по направлению «Поддержка обучения и стажировок наиболее способных студентов и аспирантов в российских научных школах мирового уровня».

Полученные в диссертации экспериментальные результаты и их толкование не противоречат фундаментальным физическим положениям, удовлетворительно коррелируют с данными других авторов.

На защиту выносится:

• результаты исследования состава и строения, структуры и поверхности, морфологических типов частиц золы от сжигания энергетических углей как основа для выявления аналогов известных материалов с сорбентными свойствами;
• результаты экспериментального исследования сорбционной способности техногенных отходов относительно компонентов дымовых газов котлов и нефтепродуктов топливного хозяйства ТЭС;
• рекомендации по использованию исследованных минеральных сорбентов в технологиях топливосжигания.

Апробация работы

Результаты исследований, включенных в диссертационную работу доведены до научной общественности и специалистов на V, VI и VIII научно-технических конференциях «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (Томск, 1999 – 2002 гг.

), на V областной и VI, VII, VIII, X международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 1999 – 2004 гг.), на III научно-технической конференции «Минеральная часть топлива, шлакование, загрязнение и очистка котлов» (Челябинск, 2001 г.), на региональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (Новосибирск, 2001 г.), на II семинаре вузов Сибири и Дальнего востока по теплофизике и теплоэнергетике (Томск, 2001 г.), на международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Томск, 2004 г.), на научных семинарах кафедры парогенераторостроения и парогенераторных установок Томского политехнического университета (1999 – 2007гг.).

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликованы 17 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых изданиях, 1 описание изобретения.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы (173 наименований) и приложения. Работа содержит 159 страниц текста, 20 таблиц и 39 рисунков.

Личный вклад автора состоит: в непосредственном участии во всех исследованиях, включая разработку методик экспериментов, анализ и обобщение результатов, в единоличном проведении обработки и оценки погрешности экспериментальных результатов. В постановке задач работы, обсуждении основных положений, результатов и выводов принимал участие научный руководитель к.т.н. А.С. Заворин. Консультации по методикам исследований оказывали сотрудники кафедры парогенераторостроения и парогенераторных установок к.т.н. А.А. Купрюнин, инженер В.И. Николаева, с.н.с. Урал ВТИ к.х.н. В.Е. Гладков.

С целью расширения экспериментальной базы для обобщений в соответствующих разделах работы привлечены с необходимыми ссылками данные, полученные ранее Завориным А.С. и Красильниковой Л.Г. (минералофазовый состав фракций, выделенных из канско-ачинских углей), Купрюниным А.А. (сорбция газов цеолитом).

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы.

В первой главе проведен анализ сведений о свойствах сорбентных материалов, в основу которых положены определяющие классификационные признаки. Приведенные сведения систематизированы для крупных групп сорбентов в зависимости от их происхождения и от механизма проявления сорбционной способности. Охарактеризованы особенности использования отдельных сорбентов. По итогам рассмотрения опыта использования различных сорбентов для очистки газовых сред от вредных составляющих и для очистки грунтов и водоемов от нефтесодержащих веществ сформулированы задачи исследований, соответствующие поставленной цели работы.

Во второй главе по материалам опубликованных работ с результатами исследования сорбционных процессов систематизированы основные закономерности и количественные характеристики, которые можно использовать в качестве технологических параметров при применении сорбентных материалов. Показано, что несмотря на хорошую изученность физико-химических явлений, использование большинства уравнений, описывающих сорбционные процессы, требует нахождения разного рода констант только экспериментальным путем. Сформулированы общие требования к содержанию экспериментов в рамках настоящей работы.

В третьей главе рассматриваются методические положения экспериментальных методов исследований, приводится описание лабораторной установки и подготовки образцов для физических методов исследования, методика измерений; рассмотрены основные аналитические зависимости для обработки экспериментальных данных.

В качестве основных методов исследования фазового состава, структуры и морфологии золовых остатков от сжигания угля, позволяющих выполнить поставленную задачу, выбраны физические методы с высокой разрешающей способностью – электронно-растровая микроскопия, рентгено-фазовый анализ, рентгено-флуоресцентный и электронно-зондовый анализы. Для исследований сорбционных свойств сорбента в газовых средах использовали установку, созданную в Томском политехническом университете и позволяющую проводить эксперименты по изучению адсорбции токсичных веществ различными сыпучими сорбентами в потоке с газовой средой, а также при неподвижном слое сорбента. Основные рабочие узлы установки представлены на рисунках 1 и 2.

Для осуществления опыта с неподвижным слоем сорбента использовали адсорбер, в качестве которого выступает реакционная колонка РК (рис. 1), изготовленная из нержавеющей стали, что обеспечивает ее стойкость к агрессивным средам. Герметичность колонки обеспечивается фланцевыми соеди-

Рис. 1. Реакционная колонка. 1 – корпус; 2 – крышка; 3 – прокладка; 4 – патрубок отвода газов; 5 – патрубок подвода газов; 6 – диффузионный колпачок; 7 – решетка; 8 – слой сорбента; 9 – термопара; 10 – обмотка нагревателя

нениями 2 с медными прокладками 3. Включение РК в контур осуществляется посредством подводящего 5 и отводящего 4 штуцеров. Штуцера резьбовым соединением связаны с диффузионными колпачками 6, которые обеспечивают равномерное распределение газов по слою сорбента 8, размещенного на сетке 7, и препятствуют выносу частиц в контур. Для нагрева РК используется электронагреватель 10, выполненный в виде обмотки из нихромовой проволоки с регулирующим устройством, благодаря которому можно выходить на необходимый уровень температуры.

В качестве кинетического параметра адсорбции использовано отношение количества адсорбированных токсичных оксидов на единицу сорбента А (мг/г), определяемого через равные промежутки времени в течение эксперимента, к равновесному значению А (мг/г), называемому предельной величиной адсорбции:

. (1)

Величины А и А определяются по формуле: , где С – изменение концентрации оксидов за счет адсорбции, мг/м3; Vг –объем газа в экспериментальной установке при нормальных условиях, м3; mc – масса сорбента в реакционной колонке, г.

Для оценки влияния температуры дегидратации сорбента на сорбционные свойства использована формула:

, (2)

где Со и С – начальная и равновесная концентрации токсинов в газах, мг/м3.

Для вычисления параметров адсорбции в зависимости от фракционного состава использована функциональная зависимость среднего диаметра частиц сорбента к величине K=f(ср), где K – безразмерная величина, прямо пропорциональная произведению величины адсорбции А (мг/г) на массу сорбента mс (г) и обратно пропорциональная произведению концентрации токсинов С (мг/м3) на объем газов Vг (м3), и определяема из уравнения:

. (3)

Рис. 2. Рабочий участок экспериментальной установки. 1 – реакционные колонны; 2 – корпус сепаратора; 3 – внутренний цилиндр сепаратора; 4 – жалюзийный сепаратор; 5 – патрубок выхода газов; 6 – заглушка; 7 – электронагреватель; 8 – изоляция; 9 – сорбент; 10 – бункер;11 – зубчатый питатель; 12 – смеситель; 13 – патрубок входа газов; 14 – термопара; 15– двигатель электропривода