способ сжигания твердого топлива на тепловых электростанциях

Формула изобретения

1. Способ сжигания твердого топлива на тепловых электростанциях, включающий подготовку топлива к сжиганию, его сжигание, сухое улавливание золы, увлажнение золы, ее грануляцию, твердение гранул и их отгрузку на утилизацию или хранение, отличающийся тем, что топливо перед сжиганием дозируют и вводят минеральную добавку, измельчение которой осуществляют совместно с топливом или раздельно, а для увлажнения золы при ее грануляции используют воду или водный щелочной раствор, например, карбонат или сульфат натрия, с содержанием щелочного соединения 5-10% от массы золы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве минеральной добавки используют карбонатную породу, мел, известняк или мергель.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гранулированный продукт, предназначенный для отгрузки или хранения, подвергают подсушке до остаточной влажности 5-10% и последующему доувлажнению до 20-30%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологиям сжигания твердого топлива на ТЭС и касается прежде всего объектов, сжигающих твердое топливо с кислым составом минеральной части, то есть с низким, менее 5% содержанием оксидов кальция и магния в золошлаках, образующихся при сжигании топлива.

Известен способ сжигания твердого топлива на ТЭС, включающий сухое золоулавливание, при котором минеральную часть топлива в виде золошлаковой смеси отбирают из системы улавливания, шлак отгружают потребителям, а золу вывозят к месту складирования. В дальнейшем она подвергается в специальном устройстве увлажнению до 14-16% и транспортируется на место укладки, где она распределяется слоем в 20-30 см и уплотняется с помощью дорожной техники в массив высотой до 10 м с последующей рекультивацией (Вишня Б.Л., Уфимцев В.М. Перспективные технологии удаления, складирования и использования золошлаков ТЭС, Екатеринбург, издание Уральского государственного университета - УПИ, 2006, с.10). По существу, указанная технология служит для захоронения топливных зол и шлаков.

Недостатком данной технологии являются сложности, возникающие при отборе золошлаков для их использования. В этом случае необходим комплекс мероприятий, соответствующий организации карьера, как при разработке природного сырья, поскольку предусматривается разработка техногенного массива после его рекультивации. Это повышает затраты, связанные с утилизацией продуктов сжигания углей. Кроме того, повышенная влажность золошлаковой смеси затрудняет ее отбор в зимний период и требует увеличения энергозатрат на сушку.

Известен способ сжигания твердого топлива на тепловых электростанциях, включающий подготовку топлива к сжиганию, сухое золоулавливание его продуктов, увлажнение золы, ее грануляцию, твердение гранул и отгрузку на утилизацию или хранение (А.С. СССР 1043424 МПК 3 F23J 1/02 от 23.09.1983).

Гранулирование золы повышает ее потребительские свойства, расширяет сферу и объем ее потребления.

К недостаткам указанной технологии следует отнести ограничение по минимальному содержанию щелочно-земельных оксидов (СаО и MgO) в составе золы, которое должно быть не менее 20%. При меньшем содержании зольные гранулы медленно твердеют и не набирают достаточной прочности. Такие гранулы разрушаются при хранении и утилизации, что снижает их потребительские свойства, особенно в случае использования их в качестве крупного заполнителя в составе легких бетонов. В этом случае необходимо добавлять к золе 10-15% портландцемента, как это осуществляют при получении безобжигового зольного гравия (Ицкович С.М., Чумаков Л.Д.. Баженов Ю.М. Технология заполнителей бетона. М.: Высш. шк., 1991. с.224). Количество добавляемого цемента должно быть обратно пропорционально содержанию оксидов кальция и магния, содержащихся в золе. Последнее существенно повышает затраты на утилизацию золы путем грануляции.

Техническая задача, решаемая в изобретении, заключается в получении качественного гранулированного продукта на основе кислой золы, в составе которой сумма СаО и MgO менее 20%.

Поставленная задача достигается тем, что в способе сжигания твердого топлива на ТЭС, включающем подготовку топлива к сжиганию, его сжигание, сухое улавливание золы, увлажнение золы, ее грануляцию, твердение гранул и их отгрузку на утилизацию или хранение, в топливо перед сжиганием дозируют и вводят минеральную добавку. В качестве минеральной добавки рекомендуется применять карбонатсодержащие горные породы: мел, известняк, доломит, мергель, которые измельчаются совместно с углем или отдельно от него. В последнем случае размолотая минеральная добавка дозируется и подается в угольную мельницу.

Для увлажнения золы в процессе ее грануляции используют воду или водный раствор 5-10%-ной щелочи, например карбонат или сульфат натрия

Гранулированный продукт, предназначенный для отгрузки или хранения, подвергают подсушке до остаточной влажности 5-10% и последующему доувлажнению до 20-30%.

Опытную проверку заявляемого способа осуществляли на смеси, моделирующей введение в кузнецкий уголь 4-5% минеральной добавки в виде известняка, что соответствует следующему составу смеси: зола 83%, известь 8% и ангидрит 9%. Состав золы, мас.%: SiO₂ ...60,70; Al₂О₃...28,68; Fe₂O₃...4,55; СаО...1,77; MgO...0,45. Ангидрит образуется за счет связывания серы из угля, благодаря чему снижается выброс серы с дымовыми газами ТЭС. Вышеуказанные компоненты тщательно перемешивались и подвергались грануляции на лабораторном тарельчатом грануляторе. Полученные гранулы твердели в воздушно-влажных условиях при комнатной температуре. В табл.1 приведено изменение свойств гранул во времени.

Таблица 1
Изменение свойств зольных гранул при воздушно-влажном хранении
Предел прочности на сжатие, Н/гранулу	Длительность хранения
	1 час	8 час	16 час	1 с	1,5 с	7 с	14 с	21 с	28 с
Зола + 15% цемента	6	8	15	25	37	150	195	225	270
Зола + извес. + ангидр.	4	9	19	38	43	191	263	460	488
. Зола + известь + ангидрит + сушка*	-	85	103	120	137	153	207	254	305
Зола + известь + ангидр. + сушка + увл.**	-	-	-	-	204	287	353	411	451
Зола + известь. + ангидр. + 5% Na2SO 4	8	19	45	97	120	187	253	382	470
Примечение: * Сушка в течение 2 часов при температуре 90°С. Влажность гранул снизилась с 28 до 15%.
**Подсушенные гранулы увлажнялись до 25% после 24 час. с момента грануляции.

Из представленного следует, что введение минеральной добавки в виде известняка обеспечивает эффект более высокий, чем использование 15% добавки цемента. Весьма важно, что скорость твердения гранул к истечению 1 суток почти вдвое превышает прочность гранул на цементе. Гранулы с прочностью на сжатие 38 Н (3,8 кгс) можно отгружать потребителю, особенно в летнее время, когда продолжится их интенсивное твердение при транспортировании и во время хранения на складе. Однако для использования их в технологии бетона или в дорожных материалах прочность 38 Н недостаточна. Поэтому рационально форсировать твердение зольных гранул, что позволит ускорить их отгрузку и уменьшить площадь под гранулохранилищем на ТЭС.

Для ускорения отгрузки гранул, полученных на известково-ангидритовом вяжущем с исходной влажностью 20-30%, рекомендуется сушить их в щадящем режиме, исключающем разрушение от термоудара, до остаточной влажности 5-15%, подсушивание. Однако после подсушивания значительно снижается «конечная» прочность гранул (в отдаленные сроки). В режиме «подсушивания-увлажнения» предусмотрено увлажнение подсушенных гранул до уровня 20-30%. В этом случае повышается конечная (месячная) прочность гранул.

Альтернативой способу «подсушивания-увлажнения» является введение в золу щелочной водорастворимой добавки путем замены воды, используемой при грануляции на щелочной водный раствор, например сульфата или карбоната натрия, или их смеси. В этом случае упрощается технологическая схема получения зольного гранулированного продукта. Особенно эффективно применять для этой цели дешевые щелочные отходы химических и металлургических технологий: содощелочной плав или содосульфатный отход производства глинозема. Количество щелочной добавки в сухом виде должно составлять от 5 до 10% от массы сухой золы.

В табл.2 содержатся сравнительные результаты по динамике нарастания прочности гранул при использовании различных режимов их сушки и доувлажнения.

Таблица 2
Изменение свойств зольных гранул при воздушно-влажном хранении с использованием сушки и доувлажнения
Предел прочности на сжатие, Н/гранулу	Длительность хранения
	1 час	8 час	16 час	1 с	1,5 с	7 с	14 с	21 с	28 с
Зола + извес. + ангидр.	4	9	19	38	43	191	263	460	488
. Зола + известь + ангидр. + сушка до 10%, *	40	105	138	204	227	275	303	342	353
- « - сушка до 5%	43	74	96	103	105	98	111	115	123
- « -, сушка до 15%	25	85	103	120	137	153	207	254	305
Зола + известь + ангидр. + сушка + увл. до 20%, **	-	-	-	170	204	287	353	411	451
- « - до 15%	-	-	-	180	211	280	324	373	409
- « - до 25%	-	-	-	165	193	258	333	375	420
Примечание: * сушка в течение 2 часов при температуре 90 С. Влажность гранул снизилась с 28 до 15%.
** - Гранулы, подсушенные по режиму, * увлажнялись до 25% после 24 час с момента грануляции

В табл.3 сравниваются результаты опытов по ускорению твердения зольных гранул введением щелочной добавки при грануляции. В качестве щелочной добавки использовали содосульфатный отход производства глинозема, содержащий 21% Na₂CO ₃ и 58% Na₂SO₄ .

Таблица 3
Изменение свойств зольных гранул, содержащих щелочную добавку при воздушно-влажном хранении
Предел прочности на сжатие, Н/гранулу	Длительность хранения
	1 час	8 час	16 час	1 с	1,5 с	7 с	14 с	21 с	28 с
Зола + 15% цемента	6	8	15	25	37	150	195	225	270
Зола + известь. + анг-дит + 5% Na 2SO4	8	19	45	97	120	187	253	382	470
- « - +10% Na2SO4	11	23	53	95	111	163	233	377	399
- « - +8% Na 2SO4	11	25	60	112	143	178	250	419	495

Достижение заявляемого технического результата, выражающегося в проявлении вяжущих свойств при сжигании углей, имеющих кислый состав минеральной части, обеспечивается термохимическим взаимодействием между продуктами разложения карбонатов и минеральной частью угля. Результатом указанного взаимодействия, вероятно, является образование гидравлически активных фаз: извести, ангидрита (сульфата кальция), низкоосновных силикатов, алюминатов, ферритов кальций. Смесь золы и этих фаз хорошо гранулируется, а гранулы способны к твердению.

По скорости твердения такие гранулы значительно уступают гранулам, полученным из высококальциевой золы, в составе которых количество CaO+MgO превышает 20%. С целью ускорения твердения предлагается путем нагрева подсушивать до остаточной влажности 5-15%. Благодаря нагреву ускоряются химические реакции твердения, а испарение части воды приводит к уплотнению структуры гранулы по причине кристаллизации растворенных солей. Однако остаточной влаги недостаточно для завершения гидратации фаз, обеспечивающих твердения гранул. Поэтому целесообразно подвергать их дополнительному увлажнению до 15-25%, что, вероятно, стимулирует завершение гидратации вяжущих фаз и повышает прочность гранул.

Подсушивание гранул и их последующее увлажнение усложняют технологию получения зольного гранулированного продукта, что можно избежать, используя введение в золу щелочной добавки, например сульфата или карбоната натрия или их смеси в количестве 5-10%. Ускорение твердения гранул в этом случае, по-видимому, связано с повышением растворимости в воде оксида кремния, что стимулирует образование низкоосновных силикатов кальция.

Использование предлагаемого изобретения позволяет получать удобный для утилизации и складирования, прочный, гранулированный продукт. Зольные гранулы в зависимости от их состава и свойств возможно использовать как заполнитель в составе легкого бетона или как активную гидравлическую добавку при получении цемента, или еще каким-либо способом. Складирование зольных гранул не требует больших затрат и экологически безопасно. Можно ожидать, что применение изобретения обеспечит суммарный экономический эффект от исключения затрат на складирование золы в сухой отвал и ее утилизации порядка 100-200 руб. на 1 т гранулированного продукта.