Зола — несгораемый остаток, образующийся из минеральных примесей топлива при его полном сгорании. Верхний предел содержания минеральных примесей в ископаемом сырье определяет экономическую целесообразность и техническую возможность использования его в качестве топлива. В наиболее часто применяемом топливе — каменном угле — содержание примесей, а значит и золы, находится в пределах от 1 до 45 % в зависимости от качества месторождения.
В настоящее время в Российской Федерации насчитывается более 300 электростанций и ТЭЦ, использующих уголь в качестве сжигаемого топлива. При этом производится золошлаковых материалов (ЗШМ) свыше 30 млн. тонн в год, что представляет собой серьёзнейшую экологическую и экономическую проблему. Вместе с тем, имеются перспективы коммерческого использования ЗШМ. Потенциал рынка золы многими экспертами оценивается в величину порядка 35 млн тонн в год. Основные области применения: промышленность строительных материалов и строительных деталей, дорожное строительство, рекультивация земель, обработка и регулировка кислотности почв и изготовление удобрений.
Наиболее ценным продуктом для дальнейшего промышленного использования является т.н. зола-унос сухого отбора — мелкие частицы (размеры от 5 до 100 мкм), уносимые дымовыми газами из топки котла и улавливаемые фильтрами.
При применении электрических фильтров удается рассортировать золу-унос по фракциям, имеющим применение в разных технологиях производства стройматериалов. Более крупные частицы оседают на дно топки, откуда удаляются механически, гранулируются и соответствующим образом утилизируются.
Отбор золы-уноса от электрофильтров производится в раздельные ёмкости (с возможностью смешивания) с последующей транспортировкой через промежуточные накопительные ёмкости на склад, представляющий собой, как правило, силос или бункер с раздельными камерами для хранения и отгрузки различных фракций. Транспортировка осуществляется по пневмопроводам. Зола-унос сухого отбора используется в индустрии строительных материалов, как правило, для производства бетонных смесей с заданными свойствами по прочности, морозостойкости, коррозионной стойкости и т. п. Фракционный и химический состав используемой золы регулируется для конкретного производителя в зависимости от применяемых им сырьевых материалов.
Зола-унос представляет собой сухой порошок серого цвета с постоянным химическим и фазовым составом. Химический состав представлен в основном кремния, алюминия, железа, кальция, серы и магния. В фазовом отношении – это главным образом алюмосиликатное стекло и кварц. Частицы в основном имеют сферическую форму, размерами от 1 мкм до 150 мкм (в среднем 20 мкм). Плотность: истинная до 2200 г/дм3; насыпная до 750 г/дм3. Зола не обладает цементирующими свойствами, однако химически активна. Поскольку температура в топочных камерах достигает 1200…1600 °С, получаемая зола-унос может иметь весьма высокую температуру, что, вкупе с химической активностью и высокой склонностью к пылеобразованию, создает очень неблагоприятные условия для работы оборудования в этой среде. Прежде всего, для измерительных устройств, предназначенных для контроля над процессом транспортировки, хранения и отгрузки золы.
Датчики непрерывного контроля уровня золы
Совокупность крайне неблагоприятных условий работы уровнемеров в ёмкостях накопления и хранения ЗШМ практически исключает применение устройств, работоспособность и точность которых зависит от состояния среды формирования и распространения измерительного сигнала. Здесь не пригодны ёмкостные, ультразвуковые и микроволновые рефлексные датчики. Для всех этих типов устройств решающим обстоятельством является появление в пространстве их работы значительного количества пыли, способной налипать на конструкцию зонда и изменять физические свойства среды распространения измерительного сигнала. В этих условиях остается возможным применение датчиков лотового принципа действия или микроволновых радарных. При условии ограничений, связанных с химической активностью золы и высокой температурой её поверхностных слоёв и всего пространства ёмкости хранения.
Наиболее экономичным решением для непрерывно-дискретного контроля уровня ЗШМ в ёмкостях, силосах и цистернах является применение электромеханических лотовых уровнемеров NIVOBOB серии NB3100/3200 компании UWT LevelControl. Устройство способно работать в среде с диапазоном температур -40…+250 °С и при давлениях 0,3…1,7 бар. При этом имеется механизм очищения измерительной ленты от налипания пыли. Управление осуществляется микропроцессором, обеспечивающим замеры с заданной периодичностью по времени, зависящей от диапазона измерений: до 30м и до 50м. Коммуникационные сигналы: аналоговый 4…20 мА, 4 релейных выхода с коммутирующей способностью 250 В/2 А переменного тока, электронный счетный импульс 30 В/25 мА, Modbus RTU, Profibus DP. Погрешность измерений: 1 % по аналоговому сигналу, 0,5 % — по цифровым. Комплектация пультом NB9000 позволяет объединить в локальную систему до 10 датчиков.
Детали устройства, приходящие в соприкосновение с ЗШМ и внутренней средой ёмкости хранения, выполняются либо из нержавеющих сталей, либо имеют антикоррозионное покрытие. Прибор предельно прост в установке и практически не нуждается в обслуживании при эксплуатации.
Микроволновые радарные уровнемеры являются наиболее точными и универсальными датчиками для непрерывного измерения уровня сыпучих материалов в самых тяжелых условиях эксплуатации. Их единственным недостатком является относительно высокая стоимость.
Уровнемер NivoRadar 3000 способен производить измерения в диапазоне длин до 100 м. Конструкция прибора позволяет практически полностью исключить влияние неблагоприятных факторов на процесс измерения и обеспечивает точность порядка 0,25 % от полной шкалы измерений. Антенна прибора с защитой от налипания имеет функцию самоочистки. Уровнемер может работать в диапазоне температур измеряемой среды -40…+200 °С при давлениях от — 1 до 3 бар. Выходные коммуникационные сигналы: аналоговый 4…20 мА, и HART, позволяющий внешнее программирование прибора. Для этих же целей может использоваться съёмный графический дисплей. Класс защиты устройства — IP68. Детали, входящие в контакт с внутренней средой ёмкости хранения ЗШМ выполнены из нержавеющей стали, антенна прибора высокотемпературного исполнения — из материала PEEK (полиэфирэфиркетон).
Существенного расширения температурных возможностей уровнемера удается достигнуть за счет специфической конструкции датчиков типа MWS-79RF компании WADECO. Информационно-обрабатывающая часть прибора и излучающая антенна размещаются вне пределов технологического резервуара, в пространстве с приемлемой температурой среды. Микроволновое излучение попадает в технологическую ёмкость, отражаясь от специального устройства (отражателя), устанавливаемого в необходимой близости от входного отверстия ёмкости. От антенны до отражателя микроволновое излучение распространяется внутри защитной трубы соответствующего диаметра, определяемого углом расхождения пучка излучения. Антенна прибора может располагаться в области температур до +150°С, процессорная часть прибора должна находиться в области нормальных температур. Температурный режим технологической ёмкости не имеет существенного значения для датчика, поэтому такие устройства могут применяться в очень высокотемпературных производствах, включая металлургические.
Датчик хорошо подходит для измерений наклонных поверхностей с включением даже крупных фракций. Погрешность остается в пределах ±5 мм в диапазоне измерений до 50 м.
В работе датчика используется метод частотной модуляции FM-CW. Программная обработка принимаемого сигнала, включающая Фурье-анализ, позволяет исключить влияние ложных сигналов, появление которых связано с усложненной траекторией распространения измерительного сигнала. Выходные коммуникационные сигналы: аналоговый выход 4…20мА, обеспечивающий точность до ±0,5%; аварийные сигналы релейного типа с коммутирующей способностью 30В/0,5А постоянного тока; интерфейс RS232C или RS422. Материал антенны — нержавеющая сталь, корпус контроллера — сплав алюминия.
В сводной таблице показаны основные характеристики датчиков для непрерывного измерения уровня золы в хранилищах.
| Тип устройства | NB3100/3200 | NivoRadar 3000 | MWS-79RF |
|---|---|---|---|
| Диапазон измерений | До 50 м | До 100 м | До 50 м |
| Погрешность, % от полного диапазона изм. | 0,5% | 0,25% | 0,5% по аналоговому выходу 0,1% по дискретным сигналам |
| Температура технологической среды | -40°С…+250°С | -40°С…+200°С | Контроллер: -10°С…+50°С; антенна: -40°С…+200°С; температура в технологической ёмкости не критична. |
| Коммуникационные сигналы | 4…20мА; 4 релейных выхода 250В/2А по переменному току; счетный импульс; Modbus, Profibus | 4…20мА; HART | 4…20мА; реле 30В/0,5А по постоянному току; RS232C, RS422. |
| Материалы исполнения | Нержавеющая сталь, антикоррозионное покрытие. | Нержавеющая сталь, PEEK | Антенна – нержавеющая сталь, корпус – сплав алюминия. |
| Сравнительная стоимость | Сравнительно низкая | Высокая | Высокая |
Сигнализаторы уровня золы
При необходимости получения информации о превышении некоторого уровня ЗШМ в ёмкости хранения при её заполнении или опорожнении, или некоторого промежуточного уровня, применяются сигнализаторы уровня. Комплекс неблагоприятных условий эксплуатации накладывает и здесь жесткие ограничения на выбор устройств.
Простыми и безотказными устройствами, нечувствительными к наличию и налипанию пыли, высоким температурам среды, обладающими приемлемой точностью и лёгкостью в обслуживании, являются ротационные (флажковые) сигнализаторы уровня. Одно из экономичных и простых решений – датчики типа INNOLevel IL-HT. Могут применяться в качестве сигнализаторов уровня при хранении и транспортировке сыпучих веществ с размерами частиц менее 50 мм, с насыпной плотностью свыше 100 г/дм. куб., при температурах рабочей среды до 600°С. Материал деталей, входящих в соприкосновение со средой — нержавеющая сталь, уплотнения — бутадиен-акриловая резина. Датчик обеспечивает коммуникационный сигнал релейного типа с коммутирующей способностью 250В/5А переменного тока или 30В/3А постоянного тока.
Для этих же целей имеется ряд конкурентных решений, предварительный подбор которых возможен по сводной таблице:
| Тип изделия | INNOLevel IL-HT | Nivorota | FineTek SE 141/146/160 | Rotonivo RN3000 |
|---|---|---|---|---|
| t°C процесса | -40°С…+600°С | -20°С…+200°С | -20°С…+200°С | -40°С…+600°С |
| Давление процесса | 0,8 бар | ˂3 бар | Атм. | - 0,9 бар…10 бар |
| Коммуникационные сигналы | Реле SPDT: 250В/5А перем. ток 30В/3А пост. ток | Реле SPDT: 250В/10А перем. ток | Реле SPDT: 250В/5А перем. ток 30В/3А пост. ток | Реле SPDT, «сухой контакт» |
| Материалы, соприкасающиеся со средой | Нержавеющие стали. Уплотнения – бутадиен-акриловая резина | Нержавеющие стали. Уплотнения – FPM (фтор-пропилен-мономер) | Нержавеющие стали | Нержавеющие стали |
| Степень защиты | IP65 | IP67 | IP65 | IP66 |
| Минимальная насыпная плотность продукта | ˃100 г/дм3 | ˃100 г/дм3 | ˃300 г/дм3 | ˃15 г/дм3 |
| Монтажная длина | До 4 м | До 3 м | До 1,2 м, а так же индивидуально по заказу | До 10 м |
