Удаление микросферы из гидрозольного потока

 В настоящей статье авторы предлагают алгоритм работы действующей опытной  установки по выделению микросферы из системы гидрозолоудаления тепловых электростанций.

Ключевые слова:  микросфера, опытная установка, тепловые электростанции, гидрозолоудаление.
 
     Всем, кто видел золоотвалы или озера золосброса ТЭЦ или ГРЭС, нет необходимости объяснять их вред для окружающей среды. Однако, этот вред можно не допустить и даже обратить его на пользу. Другими словами, по меткому выражению, превратить отходы в доходы. Переработке золошлаковых отходов посвящено большое количество статей, публикаций и диссертаций. На основе этих работ созданы промышленные комплексы и построены предприятия по переработке золошлаковых отходов и получению из них полезных промышленных продуктов. Недостатком всех этих работ и предприятий является одно, но существенное обстоятельство: золошлаковые отходы вначале сбрасываются в золохранилища и только потом перерабатываются.
      Авторы статьи намерены показать один из путей изменения данной ситуации: забирать зольную пульпу из труб золоудаления ТЭЦ или ГРЭС, перерабатывать золу на промышленных установках, а воду возвращать в багерные ТЭЦ или ГРЭС. Для этого мы постараемся опубликовать ряд статей, в которых поэтапно покажем инженерную, экологическую и экономическую целесообразность выше заявленного способа переработки зольной пульпы. В принципе, это должен быть золоперерабатывающий комбинат, который состоит из трех модулей: первый модуль – выделение микросферы и легкой, плавающей фракции зольной пульпы; второй модуль – выделение и переработка средней фракции зольной пульпы; третий модуль - выделение и переработка оставшейся фракции зольной пульпы.
       Коротко об экологическом эффекте работы первого модуля – выделение и переработка микросферы и легкой, плавающей фракции зольной пульпы. Микросфера, как продукт, имеет два прямо противоположных качества: в свободном состоянии очень вредная для живого и растительного мира субстанция; в переработанном состоянии это есть ценнейшее и дорогостоящее сырьё для большого ряда промышленных изделий.  Микросфера образуется в водных лагунах золохранилищ и за счет малой плотности плавает на их поверхности. Ветер и волна прибивает микросферу к берегам золохранилищ, где она высыхает естественным путем. Размеры микросферы колеблятся от 10 до 300 микрон. Высушенная микросфера порывами ветра поднимается над поверхностью золохранилищ и может уноситься на большие расстояния. Попадая в органы дыхания человека и животных, микросферы за счет малых размеров проникают вглубь организма, вызывая поражение отдельных его частей. На растительный мир действие пыли в виде микросферы приводит к еще более пагубным воздействиям [ 1 ]. На эту тему написано много специальных статей, но мы поверим ученым и будем считать, что микросфера в свободном состоянии приносит огромный экологический вред, следовательно, перед учеными и инженерами стоит благородная экологическая задача  избавления от свободной микросферы. Тем более, что на продаже микросферы можно очень хорошо заработать: цена одной тонны микросферы, в зависимости от качества, колеблется от 150 до 500 долларов США.
     Сколько же свободной микросферы ежегодно выбрасывается в золохранилища Казахстана? Предварительные подсчеты дают ориентировочно от 300 000  до 350 000 тонн. Примитивными способами в настоящее время с поверхности золохранилищ собирается до 30 000 тонн, т.е. около 10%. Остальные 90% рассеиваются ветром на прилегающих площадях.
     В настоящей статье приведено описание действующей опытной установки по выделению микросферы из гидрозольного удаления Астанинской ТЭЦ-2, построенной на основе технической идеи профессора Микова. Для определения экологической эффективности этой установки достаточно сказать, что в 2013 году с поверхности старого золохранилища Астанинской ТЭЦ-2 ТОО «EKO Sphere KZ» вручную собрала 500 тонн микросферы, в то время как расчетная мощность установки составляет 25 000 – 30 000 тонн микросферы, т.е. до 80% всей образуемой микросферы при сжигании угля в котлах Астанинской ТЭЦ-2 может быть утилизировано и превращено в полезные продукты. Это по самым скромным подсчетам составляет 5 миллионов долларов США.
     Исследованию процессов естественного и искусственного образования и использования  микросфер посвящено много работ. В первую очередь можно привести материалы диссертации В.С. Дрожжина [ 2 ] и библиографию в этой диссертации. Для понимания сути продукта «микросфера» приведу несколько цитат из этой работы.
При сжигании углей в котлах энергоустановок электростанций образуется легкая фракция золы-уноса с насыпной плотностью 0,35 – 0,5 г/см3, состоящая из полых частиц сферической формы, получившая название «микросферы из зол-уноса», керамические микросферы или в зарубежной литературе – «cenospheres» («ценосферы»).
       В странах бывшего СССР работы по изучению возможности использования микросфер из зольных отходов начали проводиться в конце 80-х годов прошлого века. Наиболее полно представлены результаты работ специалистов Ростовского государственного университета
[ 3 ]. Ими проведены исследования ресурсов микросфер на некоторых электростанциях Украины и России, определены основные свойства микросфер и исследовано применение зольных микросфер в качестве наполнителей композиционных материалов на органической и неорганической основе.  В работе [ 4 ] сотрудников Института Горючих Ископаемых на основе большой выборки угольных бассейнов и электростанций рассмотрены некоторые вопросы, связанные с образованием микросфер, долевым содержанием их в золе уноса, приведены данные о составах и свойствах зольных микросфер.
       Сотрудники Сибирского отделения РАН (ИХХТ, г. Красноярск [ 5 ]  , ИТ, г. Новосибирск [ 6 ] , Томского государственного архитектурно-строительного университета  исследовали применимость зольных микросфер для очистки жидких радиоактивных отходов, сенсибилизации эмульсионных взрывчатых составов, создания обжиговых строительных материалов. Разработкой теплоизоляционных материалов на основе зольных микросфер занимались сотрудники Владимирского государственного университета и Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра РАН.
        Первый практический опыт сбора микросфер на российских электростанциях относится к началу 90-х годов.  Такие работы были проведены различными инициативными группами  на ТЭЦ-22, Томь-Усинской, Беловской, Рефтинской и Троицкой  ГРЭС. На Усть-Каменогорской ГРЭС была разработана плавающая понтонная установка с всасывающим устройством для сбора микросфер с поверхности воды и их обезвоживания. Львовским отделением Генпланпроекта для Бурштынской ГРЭС предложен способ сбора микросферы из обводного канала.
        В Казахстане запатентован способ получения микросферы из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций и стационарная установка для его осуществления [7]. На фотографии показана действующая опытная установка в районе Астанинской ТЭЦ-2, на которой в настоящее время происходит технологическая отладка.
Рассмотрим работу основных узлов установки.
        Забор водно-зольного потока.
Как правило, любая ГРЭС или ТЭЦ имеет один рабочий золоотвал, в который зола от сжигания угля подается по четырем трубам диаметром 432 мм каждая. Способ удаления золы – гидросмыв. Соотношение воды к золе 11:1. Подача водно-зольной смеси (пульпы) производится тремя багерными насосами, производительностью 500 м3/час каждый. Таким образом, по  трубам в каждый час перекачивается 1500 м3 пульпы (0,4167 м3/сек). Для отвода пульпы на стационарную установку производится врезка  во все четыре трубы золопровода.
Перекрытие потоков пульпы производится задвижками с электроприводом. При этом на каждой трубе золопровода устанавливается одна задвижка за врезкой по ходу движения пульпы и одна задвижка на врезке. При этом рабочее положение задвижек таково: задвижки на двух рабочих трубах постоянно в положении «закрыто», а задвижки на врезках от этих труб постоянно в положении «открыто». В случае, если установка по каким-либо причинам  не может принимать пульпу (аварийная ситуация), то положение задвижек меняется на противоположное. Задвижки на резервных трубах находятся в положении «открыто», а на врезках в эти трубы в положении «закрыто».
Через врезки отведенная от золопровода пульпа сливается в приемный резервуар.  Размеры резервуара: диаметр 6м и высота 6 м. Объем 169,56 м3. На уровне отметки 5м в резервуаре предусмотрен аварийный сток в подземный резервуар объемом 625 м3.
Итого, входная система для пульпы от золопровода на стационарную установку состоит из четырех врезок, 8-ми задвижек, приемного и аварийного резервуаров. Эта система полностью автономна.
Управление входной системой должно быть автономным с выводом на отдельный шкаф и включать в себя как электрическую цепь управления приводами задвижек, так и ручной способ открытия-закрытия задвижек. При этом должны осуществляться следующие функции:
- опрос задвижек на состояние «открыто-закрыто» с выводом соответствующего сигнала на индикатор в шкафу управления, а также с подачей сигнала в программную цепь компьютера и с выдачей сигнала аварии в случае не срабатывания приводов или не достижения конечного положения штока;
- закрытие-открытие задвижек электроприводом как по команде с пульта, так и по команде от программы с компьютера;
- опрос поплавкового датчика в приемном резервуаре на состояние аварийного наполнения;
- открытие задвижек на трубах золопровода и закрытие задвижек на врезках в случае аварийного переполнения приемного резервуара сигналом с пульта или по команде с компьютера;
- выдача звукового и светового сигнала аварийного переполнения приемного резервуара;
- выдача звукового и светового сигнала при отсутствии электрического тока в системе;
- выдача звукового и светового сигнала пожарной опасности;
- выдача на индикатор шкафа управления и в программную цепь компьютера измеренной температуры пульпы в приемном резервуаре.
Аварийная ситуация в этом блоке устройств может возникнуть по следующим причинам:
-  отключение подачи электроэнергии;
- отключение подачи пара;
- выход из строя одного или нескольких насосов забора пульпы в модули ;
- выход из строя одного или нескольких насосов перекачки микросферы;
При возникновении аварийной ситуации необходимо вначале открыть задвижки на трубах золопровода, а затем закрыть задвижки на врезках. В течение некоторого времени из приемного резервуара  будет происходить аварийный слив пульпы в аварийный резервуар . В это время необходимо включить насос в аварийном резервуаре для откачки пульпы по трубе в золоприемник ТЭЦ.
Модуль резервуаров для сбора микросферы.
Модуль состоит из двух одинаковых по устройству резервуаров, но первый резервуар располагается на три метра выше второго. За счет этого достигается «самотек» пульпы из первого резервуара во второй.  Модуль расположен в едином обогреваемом помещении. Таких модулей в опытной установке три и все они работают автономно.
Пульпа из приемного резервуара погружным насосом подается в первый резервуар модуля. Рабочее положение насоса «постоянно включен». Труба подачи пульпы располагается незначительно ниже верхнего среза резервуара. Объем каждого резервуара составляет 34,24 м3. Резервуар представляет собой цилиндр диаметром 3м и высотой 6м. При этом нижнее дно скошено под 300 . Верхняя часть резервуара закрыта крышкой.
По верхней поверхности каждого из резервуаров модуля вращается лопаточка, которая соскребает всплывшую микросферу и сливает ее за борт резервуара в полость сбора микросферы. Полость скошена под 600 в сторону, противоположную скосу дна резервуара.
Вращение лопаточки передается от мотор-редуктора , установленного на крышке резервуара. Рабочее положение мотор-редуктора «постоянно включен». Пульпа из первого резервуара через сливной патрубок в нижнем конце скошенного дна переливается самотеком во второй резервуар. Вход и выход пульпы в резервуары согласован за счет выбора диаметра сливного патрубка.
          В каждый модуль входит отстойник пульпы , представляющий собой цилиндрический резервуар диаметром 6м и высотой 3,5м. Он вкопан в грунт до отметки -1,5м; резервуар закрыт крышкой. Пульпа в него вытекает самотеком из второго резервуара модуля. Отстойник имеет аварийный сброс в аварийный резервуар . Сбор микросферы с поверхности отстойника производится общим для модуля эжекторным насосом  через общий коллектор. Перекачка пульпы в накопитель производится погружным насосом.  Рабочее положение насоса «постоянно включен».
Микросфера из полостей сбора обоих резервуаров выкачивается эжекторным насосом,  который устанавливается один на общий коллектор. Рабочее положение этого насоса «постоянно включен».
В скошенном дне резервуаров установлено 12 форсунок: 9 форсунок для сжатого воздуха и 3 форсунки для пара. Пар к форсункам в модули подается из теплового узла, в который, в свою очередь, пар подается по паропроводу от  ТЭЦ. Управление подачей пара производится в тепловом узле специальным устройством.
Сжатый воздух к форсункам в модули подается от компрессорной станции , где и производится управление подачей сжатого воздуха.
Единое помещение имеет технологическую лестницу с площадками доступа к дну резервуара для перестановки сливного патрубка и форсунок и к верхней крышке для работы с мотор-редуктором. Кроме этого, есть технологические площадки для осмотра места «всасывания»  микросферы и общего состояния корпуса резервуара.
Управление работой модуля и отстойника пульпы , а также подачей пара и сжатого воздуха  должно быть автономным с выводом на отдельный шкаф и включать в себя  электрическую цепь управления приводами насосов, мотор-редуктора и устройств подачи и регулировки пара и сжатого воздуха. При этом должны осуществляться следующие функции:
- опрос мотор-редуктора на рабочее состояние с выдачей сигнала на индикатор  в шкафу управления, а также с выдачей аварийного сигнала при самопроизвольной остановке при этом сигнал должен подаваться и в программную цепь компьютера;
- включение и выключение мотор-редуктора как по команде с пульта, так и по команде от программы компьютера;
- опрос привода эжекторного насоса на рабочее состояние с выдачей сигнала на индикатор  в шкафу управления, а также с выдачей аварийного сигнала при самопроизвольной остановке при этом сигнал должен подаваться и в программную цепь компьютера;
- включение и выключение привода эжекторного насоса как по команде с пульта, так и по команде от программы компьютера;
- опрос привода погружного насоса на рабочее состояние с выдачей сигнала на индикатор  в шкафу управления, а также с выдачей аварийного сигнала при самопроизвольной остановке при этом сигнал должен подаваться и в программную цепь компьютера;
- включение и выключение привода погружного насоса как по команде с пульта, так и по команде от программы компьютера;
- выдача звукового и светового сигнала при отсутствии электрического тока в системе;
- выдача звукового и светового сигнала пожарной опасности;
- выдача на индикатор шкафа управления и в программную цепь компьютера измеренной температуры пульпы в  резервуарах модуля;
- выдача на индикатор шкафа управления и в программную цепь компьютера измеренного давления и температуры пара;
- выдача на индикатор шкафа управления и в программную цепь компьютера измеренного давления и температуры сжатого воздуха;
- выдача аварийного сигнала при отсутствии пара или сжатого воздуха в системе;
- управление подачей сжатого воздуха и пара.
 
       В заключении необходимо отметить, что описанная выше технология, основанная на инновационном патенте одного из авторов, впервые в мире реализована в опытной  установке по сбору микросферы из водной суспензии летучей золы на Астанинской ТЭЦ -2. Заказчиком строительства является ТОО «EKO Sphere KZ» (Казахстан, г. Караганда), плательщиком является АО «Eko Export» (Польша), проектировало установку
ТОО «РСУ – 1» (Казахстан, г. Экибастуз), общее методическое руководство осуществляется АО «Астана-Энергия». В настоящее время на опытной установке проводятся промышленные испытания и отладка технологического процесса.
 
О.В. Уткин
Первый заместитель Председателя Правления АО «Астана-Энергия», г. Астана
Д.Т. Абдыкалыков
Директор ТОО «EKO Sphere KZ», г. Караганда
А.Г. Миков
Профессор, Экибастузский инженерно-технический институт имени академика К. Сатпаева, г. Экибастуз
 
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ
1. Современные проблемы геохимии: Материалы Всероссийского совещания. – Иркутск: Изд-во Института Географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2012 – в 3-х томах. – Том 1 – 290 с.
2.      Дрожжин. В.С.  Процессы образования, ресурсы и основные свойства полых микросфер в золах уноса тепловых электростанций [Текст]: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.  Саров,  2007 – 187 с.
3.      Кизильштейн, Л.Я., Дубов, И.В., Шпицгауз, А.Л., Парада, С.Г.  Компоненты зол и шлаков ТЭС.  Энергоатомиздат, Москва, 1995 – 176 с.
4.      Шпирт М.Я., Зекель Л.А., Краснобаева Н.В.  Состав, свойства и некоторые закономерности образования пористых зольных частиц при сжигании углей. ХТТ. 2001. № 1, с. 9-17.
5.      Аншиц Н.Н., Саланов А.Н., Верещагина Т.А. и др. Состав, морфология, свойства микросфер энергетических зол и их использование для кондиционирования жидких радиоактивных отходов.  7-я Международная конференция «Безопасность ядерных технологий. Обращение с РАО».  27.09 – 1.10. 2004. С-Петербург, с. 75 – 80.
6.      Аншиц А.Г., Аншиц Н.Н., Дерибас А.А. и др. Скорость детонации эмульсионных взрывчатых веществ с ценосферами. Физика горения и взрыва. 2005, Т-41, № 5, с.119-127.
Миков, А.Г. Способ получения микросфер из водной суспензии летучей золы тепловых электростанций и стационарная установка для его осуществления. Инновационный патент № 28201, В03В 5/64, С04В 18/10. Государственный реестр изобретений Республики Казахстан 19.02. 2014 

Вернуться назад

Комментарии

Оставить комментарий