Εκτίμηση της συμπεριφοράς τήξης των τεφρών των λιγνιτικών ατμοηλεκτρικών σταθμών της Βόρειας Ελλάδας με βάση την ορυκτολογική τους σύσταση

Abstract

The aim of the present thesis is to study the ashes produced from lignite which feeds the thermal power plant stations (PPS) of Northern Greece and to correlate ash fusion temperatures with their mineralogical and chemical composition. For this purpose, were investigated the quantitative mineralogical and chemical composition, as well as the ash fusion temperatures (initial deformation, softening, hemisphere and flow temperatures) of ashes produced in the laboratory and of fly ashes of the PPS of Agios Dimitrios, Kardias, LIPTOL, Ptolemaidas and Amynteon. There were also determined the specific surface area (fineness using Blaine air-permeability apparatus) and the size fraction distribution of the fly ashes. According to the experimental results, there were done correlations between the chemical - mineralogical composition and the ash fusion temperatures, in order to establish quantitative relationships for the estimation and forecasting of potential problems that can appear during the combustion of lignite in the boiler (slagging, fouling).From the experimental results it was concluded that:a) The fluctuation of the mineralogical and chemical composition of ashes that were obtained by systematic sampling with duration of 2 hours up to monthly samples, results in quantitatively fluctuations without however essential differentiations related to mineralogical phases and oxides in general.b) The differentiation of the mineralogical and chemical composition of ashes obtained among the PPS showed that the ashes obtained from the PPS of Agios Dimitrios and Kardia were more calcareous than the rest, while they exhibited higher ash fusion temperatures.c) The correlation of the quantitative mineralogical composition (based on the Rietveld method) and chemical composition led to the formulation of equations that allow the determination of the content of amorphous matter in lignite ashes, based on the results of the chemical analysis (main elements concentrations expressed as oxides).d) The correlation of the fly ashes and ashes produced in the laboratory according to their mineralogical and chemical analysis did not allow the establishment of any statistically significant relationships. This is mainly due to a) the different combustion conditions in the laboratory and in the power plants, b) the differentiations of the lignite composition because of the time-delay during sampling and c) the differentiation of the ash produced in the PPS into fly ash and bottom ash.e) The correlation between the chemical composition and the ash fusion temperatures, using linear regression analysis, allowed the establishment of relationships that estimate the ash fusion temperatures.f) The correlation between the quantitative mineralogical analysis and the ash fusion temperatures, using multiple linear regression analysis, allowed the establishment of relationships that allow the determination of the hemisphere temperature, as well as of the approximate softening and flow temperatures, based on the quantitative mineralogical composition.

Στόχος της παρούσας διατριβής είναι ο προσδιορισμός της συμπεριφοράς τήξης των λιγνιτικών τεφρών των ατμοηλεκτρικών σταθμών (ΑΗΣ) της Βόρειας Ελλάδας και η συσχέτιση αυτών με την ορυκτολογική και χημική τους σύσταση. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκαν η ποσοτική ορυκτολογική και χημική σύσταση, καθώς και η συμπεριφορά τήξης (θερμοκρασίες αρχικής παραμόρφωσης, μαλάκυνσης, ημισφαιρίου και ροής) τόσο εργαστηριακών τεφρών, όσο και ιπταμένων τεφρών των ατμοηλεκτρικών σταθμών Αγίου Δημητρίου, Καρδιάς, ΛΙΠΤΟΛ, Πτολεμαΐδας και Αμυνταίου. Επίσης προσδιορίστηκε η ειδική επιφάνεια (λεπτότητα κατά Blaine) και η κοκκομετρική κατανομή στις ιπτάμενες τέφρες. Με βάση τα παραπάνω έγιναν συσχετισμοί της χημικής και ορυκτολογικής σύστασης με τις θερμοκρασίες που χαρακτηρίζουν τη συμπεριφορά τήξης των τεφρών, προκειμένου να ευρεθούν ποσοτικές σχέσεις οι οποίες θα επιτρέπουν την πρόβλεψη πιθανών προβλημάτων που μπορούν να προκύψουν κατά την καύση του λιγνίτη μέσα στο λέβητα (επισκωριώσεις, επικαθήσεις).Από τα παραπάνω προέκυψε ότι:α) Η διακύμανση της ορυκτολογικής και χημικής σύστασης των τεφρών που ελήφθησαν με συστηματική δειγματοληψία διάρκειας από δίωρα έως και μηνιαία δείγματα, παρουσιάζει ποσοτικά αυξομειώσεις χωρίς όμως ουσιαστικές διαφοροποιήσεις των ορυκτολογικών φάσεων και των οξειδίων εν γένει.β) Οι διαφοροποιήσεις της σύστασης μεταξύ των ΑΗΣ, έδειξαν ότι οι τέφρες των ΑΗΣ του Αγίου Δημητρίου και της Καρδιάς είναι περισσότερο ασβεστούχες από τις υπόλοιπες, ενώ παρουσίασαν και τις υψηλότερες θερμοκρασίες αρχικής παραμόρφωσης, μαλάκυνσης, ημισφαιρίου και ροής.γ) Η συσχέτιση της ποσοτικής ορυκτολογικής σύστασης (όπως προσδιορίστηκε με τη μέθοδο Rietveld) με τη χημική σύσταση οδήγησε στην εύρεση σχέσεων προσδιορισμού της περιεκτικότητας του αμόρφου των λιγνιτικών τεφρών, με βάση την περιεκτικότητα των κύριων οξειδίων.δ) Η συσχέτιση της ορυκτολογικής και της χημικής σύστασης των ιπτάμενων με τις αντίστοιχες εργαστηριακές τέφρες δεν οδήγησε σε σαφείς σχέσεις, προφανώς λόγω α) των διαφορετικών συνθηκών καύσης μεταξύ των, β) της διαφοροποίησης της σύστασης του λιγνίτη λόγω χρονικής υστέρησης κατά την λήψη και γ) της διαφοροποίησης της εργοστασιακής τέφρας σε ιπτάμενη και τέφρα δαπέδου.ε) Η συσχέτιση της χημικής σύστασης με τη συμπεριφορά τήξης των τεφρών οδήγησε σε σχέσεις εκτίμησης των θερμοκρασιών που χαρακτηρίζουν τη συμπεριφορά τήξης.στ) Η συσχέτιση της ποσοτικής ορυκτολογικής ανάλυσης με τη συμπεριφορά τήξης των τεφρών οδήγησε στην εύρεση σχέσεων που επιτρέπουν τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας ημισφαιρίου, καθώς και των θερμοκρασιών μαλάκυνσης και ροής κατά προσέγγιση, με βάση την ποσοτική ορυκτολογική σύσταση.