Хранение угля и торфа на ТЭС - Закономерности изменения показателей качества угля при хранении

4.5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА УГЛЯ ПРИ ХРАНЕНИИ
Изменение качества топлива при хранении обусловлено окислением его молекулярным кислородом окружающей атмосферы. Эти изменения пропорциональны активности топлива или содержанию в нем веществ, способных окисляться молекулярным кислородом, концентрации кислорода в реакционной среде и, наконец, температура, при которой происходит окисление. В первом приближении эта закономерность может быть описана равенством
где ΔП — скорость изменения показателей качества хранимого топлива; К —коэффициент пропорциональности; С — концентрация веществ, способных реагировать с молекулярным кислородом; СО2 — концентрация кислорода в сфере реакции; Т — температура.
Из равенства следует, что при отсутствии кислорода в реакционной среде изменение качественных показателей хранимого топлива не должно наблюдаться. Следовательно, топливо, находящееся в бескислородной зоне штабеля, не должно претерпевать изменений. Однако экспериментальные данные показывают, что даже в самой устойчивой бескислородной зоне штабеля наблюдаются некоторые изменения качества топлива. Они невелики, как правило, соизмеримы с погрешностью измерения методами технического анализа, но достаточно четко проявляются при обработке большего количества измерений. Причиной этих изменений является то, что уголь перед закладкой в штабель сорбирует значительные количества кислорода из окружающей атмосферы. После закладки угля в штабель сорбированный кислород вместе с кислородом межкускового пространства продолжает окислять уголь, изменяя его качество.

Рис. 4.6. Снижение удельной теплоты сгорания ангренского угля при хранении в опытном штабеле в зависимости от глубины.
1 — содержание кислорода в газовой фазе; 2 — снижение удельной теплоты сгорания горючей массы.

Изменение качества топлива при хранении по сечению зоны кислородного влияния происходит неравномерно. В поверхностном слое штабеля, где сказываются суточные колебания температуры, наблюдается наиболее интенсивное изменение показателей качества. В средней части зоны кислородного влияния, где концентрация кислорода в газовой фазе изменяется от 3—5 до 18%, изменения приблизительно пропорциональны концентрации кислорода в газовой фазе. В самой нижней части зоны кислородного влияния, где концентрация кислорода в газовой фазе становится ниже 3—5%, наблюдаются наименьшие изменения показателей качества. Такая закономерность, по-видимому, справедлива для изменения всех показателей, но особенно четко она фиксируется при изменении удельной теплоты сгорания и зольности.
На рис. 4.6 приведена зависимость удельной теплоты сгорания от концентрации кислорода в межкусковом пространстве небольшого опытного штабеля с основанием 20x20 м и высотой около 4 м, сложенного из бурого угля марки Б2Р Ангренского месторождения, хранившегося в течение семи летних месяцев под Ташкентом. В зоне кислородного влияния имеются три горизонта с различными условиями окисления: в верхнем, непосредственно прилегающем к дневной поверхности, снижение удельной теплоты сгорания наибольшее, а в горизонте, непосредственно прилегающем к бескислородной зоне,— наименьшее; в среднем горизонте, где концентрация кислорода в межкусковом пространстве изменяется от 3 до 18%, снижение удельной теплоты сгорания остается почти постоянным и практически независящим от концентрации кислорода в газовой фазе.

Эта закономерность четко воспроизводится при хранении бурых углей, обладающих повышенной активностью и существенно изменяющейся удельной теплотой сгорания угля при хранении. Для зрелых углей зафиксировать эту закономерность в полевых условиях хранения довольно трудно, поскольку за летний период хранения их удельная теплота сгорания изменяется незначительно, а при увеличении срока хранения происходит сезонное смещение зоны кислородного влияния и изменение зональных условий окисления.
Зольность может увеличиваться и уменьшаться в зависимости от природы угля и условий хранения. При хранении каменных углей и антрацитов зольность их постепенно увеличивается вследствие частичной потери сухой беззольной массы. Зольность бурых и молодых каменных углей в первый период хранения заметно снижается за счет увеличения сухой беззольной массы, обусловленного присоединением кислорода. Однако по истечении некоторого времени зольность стабилизируется, а затем начинает постепенно возрастать. Изменение зольности топлива в пределах зоны кислородного влияния следует примерно той же закономерности, что и изменение удельной теплоты сгорания, но с худшей воспроизводимостью получаемых результатов.

Таблица 4.5. Изменение элементного состава горючей массы ангренского угля марки Б3 после семимесячного хранения в небольшом опытном штабеле (апрель—октябрь)

Элементный состав органической массы при хранении топлива несколько изменяется: в основном уменьшается содержание углерода и значительно меньше — содержание водорода. Пропорционально возрастает содержание кислорода. Наблюдается небольшое повышение сульфатной серы за счет снижения пиритной и органической. Концентрации почти всех компонентов угля максимально изменяются в зоне, прилегающей к поверхности штабеля. В средних горизонтах зоны кислородного влияния все показатели качества изменяются стабильно. В табл. 4.5 приведены экспериментальные данные по изменению элементного состава бурого угля по горизонтам зоны кислородного влияния. Исходное топливо имело следующий элементный состав, %. Сг — 76,6;
В процессе хранения топлива выход летучих веществ, как правило, несколько возрастает, главным образом в результате образования кислородсодержащих продуктов окисления. Одновременно снижается их удельная теплота сгорания. В пределах зоны кислородного влияния выход летучих веществ изменяется по закономерностям, обратным тем, по которым происходит изменение других показателей, в частности удельной теплоты сгорания. Так, если в поверхностном слое штабеля удельная теплота сгорания снижается с максимальной скоростью, то выход летучих веществ увеличивается с максимальной скоростью.
Влажность топлива при его окислении увеличивается вследствие окисления водорода органической массы. Каждый процент потери водорода эквивалентен приросту влажности 9%.
Изменение органической массы топлива в процессе хранения вычисляется по изменению его зольности [28]:  где— соответственно начальная зольность исходного топлива и конечная зольность топлива после хранения, пересчитанные на сухую массу, %.
При хранении и окислении углей органическая масса может увеличиваться и уменьшаться. Направление и значение изменения массы определяются степенью углефикации угля, механизмом его окисления и условиями хранения. Для бурых и молодых каменных углей более характерно увеличение органической массы в первом периоде и снижение в последующие периоды хранения. В табл. 4.6 приведены экспериментальные данные по изменению органической массы бурых углей, хранившихся в лабораторных условиях при комнатной температуре. Для углей более высокой степени углефикации характерно монотонное уменьшение органической массы.

Таблица 4.6. Изменение массы органической части бурых углей Урала, хранившихся в стендовых условиях, %

Таблица 4.7. Среднегодовое изменение массы органической части бурых углей, %, хранившихся в опытных мелких штабелях в различных районах страны (основание опытного штабеля 20х20 м, высота 4— 6 м)
Название угля и место закладки опытных штабелей

При штабельном хранении изменение органической массы топлива в значительной степени зависит от условий аэрации штабеля и метеорологических условий хранения. В табл. 4.7 приведены экспериментальные данные, полученные на опытных мелких штабелях, хранившихся в различных районах страны. Приведенные данные показывают, что в опытных штабелях, так же и при лабораторном стендовом хранении, органическая масса может увеличиваться и уменьшаться. Наибольшие изменения обычно совпадают с верхними или самым нижними горизонтами штабеля, а наименьшие — с центральной слабоаэрируемой зоной. В бескислородной зоне больших штабелей, где практически полностью исключено окисление, наблюдается незначительное изменение органической массы. В табл. 4.8 приведены экспериментальные данные, полученные УралВТИ на промышленном штабеле Серовской ГРЭС.

Угольные штабели как коррозионная среда.

Таблица 4.8. Среднегодовое изменение массы богословского угля марки Б2 в глубинных горизонтах большого штабеля, %

Полученные в УралВТИ экспериментальные данные показали, что коррозионная активность среды, как и ряд других характерных черт угольных штабелей, определяется наличием в межкусковом пространстве штабеля молекулярного кислорода. Так, было установлено, что в зоне кислородного влияния активно корродируют как черные металлы, так и слаболегированная сталь марки Х18Н12Т. В бескислородной же зоне те же материалы оказались вполне устойчивыми, и за 6 мес хранения полированных образцов в этой зоне они не потеряли первоначального блеска. Эти наблюдения свидетельствуют о том, что коррозия металлов в угольных штабелях развивается под влиянием молекулярного кислорода и продуктов окисления и разложения угля.