2.4 Анализ результатов исследований

Проведенные исследования показали, что в верхней части угольных пластов березовского месторождения под слоем забалансовых сажистых углей находится довольно протяженная зона окисленного угля.

Уголь из этой зоны имеет степень окисленности более 70 %. При этом содержание углерода на горючую массу уменьшается до 60–62 %, водорода – до 2 – 3 %. Содержание кислорода увеличивается до 34 %, гуминовых кислот – до 98 %, азота – до 1,0 %. Выход летучих веществ достигает 52 – 55 %. Рабочая влажность ( ) и зольность (A^d) увеличиваются соответственно до 51 и 14 %. Перечисленные изменения приводят к снижению теплоты сгорания горючей массы угля до 20000 кДж/кг, а рабочей массы до 7000 кДж/кг. Такие угли мало пригодны в энергетике и могут быть использованы для пылевидного сжигания только с согласия потребителей.

Запасы забалансовых сажистых углей, как известно, составляют около 6 % от общих запасов. С учетом сильноокисленных углей верхней зоны, которые в настоящее время поставляются для сжигания забалансовых углей, запасы должны быть увеличены практически вдвое.

В процессе окислительного выветривания березовского угля повышается содержание в угле низкореакционного петрографического компонента – инертинита, который наиболее устойчив к окислительным процессам.

Для окисленных углей характерным является резкое снижение их реакционной способности по отношению к кислороду воздуха, что происходит в результате ухудшения реакционных свойств летучих веществ из-за увеличения в их составе доли негорючих кислородосодержащих соединений. При этом реакционная способность коксовой основы КАУ практически не зависит от степени окисленности. Из-за низкой реакционной способности летучих веществ при сжигании окисленных углей будет происходить затягивание факела, что приведет к интенсификации загрязнения поверхностей нагрева и увеличению потерь с химическим и механическим недожогами q₃ и q₄. Основным источником механического недожога q₄ могут стать петрографические микрокомпоненты группы инертинита.

Окисленный уголь является неблагоприятным с точки зрения его ис-пользования в энергетике не только по теплотехническим характеристикам, но также составу и свойствам минеральной части.

Минеральные примеси березовского угля из зоны окисления представлены соединениями кальция и магния, связанными в гуматы, и тонкодисперсным глинистым веществом, находящимся в микрокомпонентах группы липтинита. В незначительном количестве присутствует пирит в виде включений тончайшей вкрапленности и кварц в виде редких включений терригенного происхождения.

Основная часть соединений железа находится в угле в виде гидроокислов и сульфатов.

На основании проведенных исследований установлено, что для окисленных КАУ характер зависимости химического состава минеральной части от зольности совершенно иной, чем для неокисленных углей.

Для окисленных углей, в отличие от рядовых, увеличение зольности происходит за счет солей кальция и магния, приносимых поверхностными и грунтовыми водами в составе гидрокарбонатов и реагирующих с гуминовыми кислотами с образованием гуматов.

Минеральная часть окисленного угля является тугоплавкой (t_c > 1500 °C) из-за преобладания соединений кальция и магния. Для этих углей характерным также является появление жидкой фазы при сравнительно низких температурах (t_A < 1100 °С), что приводит к образованию «длинных» шлаков (∆t = t_c + t_A, превышает 450 °С).

Как было отмечено выше, нижний слой неокисленного угля обогащен соединениями железа и серы. Сжигание таких углей будет сопровождаться высокими значениями интенсивности образования и упрочнения вторичных натрубных отложений.

Установлено, что в процессе окислительного выветривания угля увеличивается содержание в нем азота, который связан с гуминовыми кислотами. Поскольку содержание оксидов азота в дымовых газах напрямую связано с количеством азота в топливе, сжигание окисленных углей в смеси с рядовыми усугубляет экологическую обстановку вокруг тепловых электростанций.

В настоящее время не производится разделение угольного пласта по качественным характеристикам, в связи с чем весь слой топлива, расположенный ниже сажистого (степень окисленности более 70 %), в виде товарного рядового угля поступает для энергетических целей.

Такой подход к использованию углей КАбасса на тепловых электростанциях без учета изменения их вещественного состава и теплофизических свойств по высоте угольного пласта, глубине его залегания является одной из основных причин низкоэкономичной работы котельного оборудования ГРЭС и ТЭЦ КАТЭКа как по условиям загрязнения и шлакования поверхностей нагрева, так и с точки зрения экологии.

Особенности вещественного состава и свойств березовского окисленного угля оказывают влияние на его горение, а также на формирование свойств летучей золы и шлака и на механизм загрязнения поверхности нагрева котельных агрегатов.

Высокое содержание внешней и внутренней влаги, большое количество в составе летучих веществ балластных и низкокалорийных соединений (низкое качество органической части) приводят к снижению устойчивости горения и температуры в топочной камере, затягиванию во времени стадии горения летучих и прогрева коксовых остатков угольных частиц до их воспламенения. В результате происходило затягивание факела за пределы топочной камеры огневого стенда и образование большого количества механического недожога.

В результате исследований на огневом стенде установлено, что механический недожог в уносе канско-ачинских углей является, в основном, продуктом неполного сгорания частиц угольной пыли, обогащенных инертинитом. Он концентрируется во фракции летучей золы с размером 5  30 мкм и принимает активное участие в формировании промежуточного рыхлого слоя отложений, с поверхности которого начинается формирование связанных гребневидных отложений.

Использование на электростанциях окисленных углей вызовет серьезные трудности в обеспечении надёжного шлакоудаления. Несмотря на то, что зола окисленного угля имеет высокую температуру плавления, попадание при его добыче породы вскрыши приводят к резкому снижению температурных характеристик золы и появления жидкого шлака при довольно низких температурах (1200 – 1300 °С). Кроме того, существует реальная опасность образования «плавающего» шлака.

Температура стенки, при которой начинается образование первичных отложений, на 120 – 140 °С ниже, а интенсивность роста вторичных (гребневидных) отложений, намного выше, чем при сжигании неокисленного березовского угля.

Механическая прочность как первичных, так и вторичных отложений, образующихся на поверхностях нагрева, при сжигании окисленного угля меньше, чем при сжигании неокисленного. Главным образом это связано с обогащением отложений мельчайшими частицами оксида кремния и механическим недожогом, отсутствием условий для образования первоначальных связей на основе сульфидов железа и кальция, отсутствием в летучей золе крупных частиц, уплотняющих слой отложений.

Имеются основания предполагать, что в случае сжигания березовского окисленного угля на промышленных котлах, где время воздействия дымовых газов на слой отложений значительно больше, чем в опытах по сжиганию наэкспериментальной установке, приведет к значительному упрочнению отложений за счет процесса сульфатизации.

Установлено, что верхняя часть угольного пласта углей КАбасса представлена окисленными углями, которые совместно с рядовыми под общим названием «товарные канско-ачинские угли» используются в энергетике. Это, на наш взгляд, является одной из причин ненадежной работы энергетических котлов.

На основе проведенных комплексных исследований представительного количества проб углей Березовского месторождения, отобранных как по высоте угольного пласта, так и по глубине его залегания установлено, что в процессе окислительного выветривания изменению подвержена периферийная часть макромолекулы угольного вещества, коксовая основа остается практически без изменений, что определило направление дальнейших исследований по разработке эффективных способов энергетического использования КАУ.

В связи с этим, нами был сделан вывод, что одним из реальных путей решения проблемы эффективного энергетического использования углей КАбасса различной степени окисленности будет получение облагороженного топлива путем предварительной термической подготовки. Кроме того, термическая подготовка позволит реализовать возможность вовлечения в топливно-энергетический баланс (ТЭБ) России огромнейших запасов забалансовых сажистых углей.

Поэтому необходимо совершенствовать технологию сжигания КАУ с разработкой научно обоснованных технических решений, внедрение которых позволит повысить эффективность энергетического использования углей Канско-Ачинского бассейна.