Pис. 1 - Итоговое производство высококонцентрированного водоугольного топлива в разных странах мира в период 1983-1995 гг. Анимация содержит 7 кадров с задержкой в 25 мс между кадрами; задержка до повторного воспроизведения составляет 500 мс; количество циклов воспроизведения - 10

Цель работы. В работе необходимо решить следующие задачи:

1. Установить зависимость между составом твердой фазы и реологическими параметрами ВУТ.

2. Определить влияние методов обогащения на качественные характеристики ВУТ и разработать рекомендации к их использованию в схемах приготовления твердой фазы водоугольного топлива.

3. Выработать методологический подход к выбору целесообразного уровня зольности твердой фазы и на основании полученных результатов разработать технологию получения ВУТ.

Практическая ценность результатов работы состоит в получении данных о возможности усовершенствования технологии обогащения и подготовки угля при приготовлении высококонцентрированной водоугольной суспензии.

Обзор исследований по теме в мире

Идея использования водоугольных суспензий как топлива зародилась еще в 50-х годах в разных научных школах мира, в частности в Институте горючих ископаемых АН СССР. Поиски технологии их приготовления и использования диктовались обострением необходимостью утилизации тонких угольных шламов, которые накопились в больших количествах вследствие интенсивного развития гидродобычи и гидротранспорта угля, а также при обогащении угля мокрым способом. Для исследования процессов приготовления и горения суспензий было построено несколько экспериментальных установок в США, ФРГ и других странах. Интерес к ВУТ восстановился в связи с мировым нефтяным кризисом в середине 70-х. Активизация исследований обуславливалась необходимостью снижения зависимости больших потребителей от нефтяных поставщиков. Наибольшее количество научных организаций, производственных фирм и корпораций было привлечено к проблеме в 1979-1984 годах. Больше 100 организаций в США, Швеции, Великобритании, Китае, Японии, Канаде, Италии, России, Украине и ряде других стран занимались изучением и внедрением ВУТ [5].

Современные технические решения по приготовлению водоугольного топлива

На сегодня за границей разработано и апробировано на экспериментальных и промышленных установках несколько технологических схем приготовления водоугольного топлива. Технологическая схема «Carbogel» включает двухстадионное измельчение с контролем крупности продукта и работой мельницы второй стадии в замкнутом цикле; двухстадионную флотацию с перечисткой пенного продукта; обезвоживание пенного продукта и смешивание его с химическими добавками.
По технологии «Densecoal» фирмы «Salzgitter Industriebau Gmb» существует около 20 схем получения ВУТ. Основные операции подобны «Carbogel»: измельчение (мокрое или сухое); классификация; обогащение флотацией; десульфуризация; гомогенизация с добавлением химических веществ. Как исходное сырье используется уголь зольностью около 11%. Технология фирмы «Nycol», которая введена в Швеции в 1981 г., для обогащения измельченного угля также предусматривает флотацию.
Для приготовления ВУТ по технологии «Fluidcarbon» используется 4 основные стадии: мокрое измельчение в стержневых мельницах; пенная флотация с применением собирателей, пенообразователей и модификаторов; обезвоживание до влажности 20-25 % на барабанных фильтрах с добавлением ПАВ, перемешивание концентрата с водой и диспергаторами. В результате обогащения зольность твердой фазы ВУТ 2,8 %.
Основным недостатком рассмотренных технологий являются применение флотации непосредственно перед операцией смешивания угля с химическими добавками. Этим усложняется задача получения стабильного гранулометрического состава твердой фазы, близкого к оптимальному. Распределение измельченных частичек угля по крупности в пенном и камерном продуктах флотации в значительной мере зависит от поверхностных свойств минералов, которые разделяются, и может существенно отличаться для угля с разными зольностью, степенью углефикации, окисленности. Обезвоживание флотоконцентрата на вакуум-фильтрах неизбежно приводит к удалению из него микронных частичек, которые заметно влияют на вязкость и сидементационную стойкость ВУТ.
Указанные недостатки отсутствуют в технологии «Co - Al» фирмы «Babcock Power Ltd» (Великобритания). Особое внимание получению оптимального гранулометрического состава отводится в технологии приготовления ВУТ фирмы «Snamprogetti» (Италия). На основании вышеизложенного можно сказать, что основным процессом обогащения в промышленно освоенных технологиях приготовления ВУТ является флотация.

Обзор исследований по теме в Украине

В Украине же возможности строительства фабрики по приготовлению ВУТ пока что только изучаются. Недавно на базе шахты «Довжанская-Капитальная» был опробован пилотный проект по приготовлению ВУТ. По оценкам Минуглепрома Украины, внедрение новой технологии поможет предприятию ежегодно сэкономить до 10 млн. м ³ природного газа.
К сожалению, использование ВУТ пока не нашло себе места в большой энергетике. Это при том, что затраты на производство 1 Мвт/ч электроэнергии с использованием такого топлива при транспортировке его углепроводами ниже затрат, чем при пылевидном сжигании угля, доставленного железнодорожным транспортом (особенно на далекие расстояния: при дальности в 100 км - до 12%, на 1000 км - 22-32 %, 4000 км - 47-65%). Вместе с тем использование ВУТ вместо прямого сжигания угля, газа и мазута требует больших первоначальных капиталовложений, особенно на первом этапе его промышленного использования. Тем не менее, для Украины вопрос перехода промышленности на водоугольное топливо остается открытым и, наверное, в будущем с ростом технического прогресса он будет реализован.

Основная часть

ВУТ имеет ряд характерных преимуществ [6]:

1. Экологические: ВУТ сравнительно безопасно для окружающей среды на всех стадиях производства, транспортировки и использования; в 1,5-3,5 разы снижает вредные выбросы в атмосферу пыли, оксидов азота, бензопирена, диоксида серы; обеспечивает эффективное использование отдельных компонентов золы, которая образовывается при сжигании (в частности полых микросфер).

2. Технологические: ВУТ подобно жидкому топливу и при переводе теплогенерирующих установок на сжигание ВУТ не требует важных изменений в конструкции котловых агрегатов; возможно сжигание в топках для слоевого сжигания твердого топлива (как дополнительное топливо), в камерных топках для пылеугольного и жидкого топлива, при сжигании в кипящем слое; дает возможность легко механизировать и автоматизировать процессы приема, подачи и сжигания топлива; технология вихревого сжигания при температуре 950-1050^о гарантирует эффективность выгорания топлива свыше 97% (при слоевом сжигании угля это значение не превышает 60%).

3. Экономические: снижает в 2-3 раза стоимость 1 т условного топлива (у.т.); на 15-30% сокращаются эксплуатационные затраты при хранении, транспортировке и сжигании; обеспечивает снижение в 3 раза капитальных затрат при переходе ТЕС и ГРЕС от сжигания природного газа и мазута на водоугольное топливо; окупаемость затрат при внедрении ВУТ составляет 1-2,5 года.

Способы приготовления водоугольного топлива [8]:

1. Приготовлениение ВУТ с дозированной подачей предварительно дробленого угля, воды и реагента-пластификатора на мокрое измельчение в стержневой мельнице;

2. С включением мокрого измельчения и классификацией угля, подачей воды и диспергаторов в мельницу, причем, процесс ведут с предыдущей электрохимической обработкой воды;

3. Смешивание с водой угольной пыли размером частичек не больше чем 20 мкм (полученное топливо используют для двигателей внутреннего сгорания);

4. Приготовление водоугольного топлива путем мокрого измельчения угля с водой при нагревании гидросмеси до 200-300^о токами высокой частоты под давлением 1,5-10 МПа и введении в гидросмесь поверхностно-активных добавок;

5. Получение водоугольного топлива из бурого угля при сухом измельчении, дегазации и смешивании с водой и добавками в гомогенизаторе, причем, сухое измельчение угля ведут одновременно с его гидрофобизацией в струйной мельнице в инертной среде.

Эти подходы довольно трудоемкие и имеют низкую производительность ввиду трудностей с технологическими процессами химической обработки угля в связи с повышенными энергетическими затратами, сложностью оборудования, вследствие чего у получаемого ВУТ низкий энергетический потенциал и относительно высокая стоимость.
Наиболее перспективной на сегодняшний день считается технология приготовления, когда водоугольное топливо получают сухим измельчением предварительно дробленого до менее чем 3 мм исходного угля в роторно-вихревой мельнице до частиц размером меньше 20 мкм. При высокоскоростном ударном разрушении частиц в помольной камере роторно-вихревой мельницы происходит селлективное раскрытие сростков минералов и угля. Минеральные частички с более высокой плотностью и твердостью сравнительно с органической составляющей угля на выходе из помольной камеры имеют большие, чем у частичек угля, размеры и под действием гравитационных сил выделяются из основного потока измельченных частичек. В результате этого процесса остаточная зольность водоугольного топлива не превышает 2-8 масс. %.
Для получения высококонцентрированного ВУТ, особенно из влажного бурого угля, необходима частичная гидрофобизация поверхности частичек, достаточная для обеспечения высокой концентрации ВУТ. Кроме того, следует удалить не только воздух из пор, но и гигроскопическую влагу. При ультратонком (менее чем 20 мкм) высокоскоростном ударном измельчении частички угля, проходя через помольную камеру роторно-вихревой мельницы, раскрывают свои поры и высушиваются до влажности менее чем 0,5%, что и обеспечивает необходимую гидрофобность поверхности угольных зерен. В результате существенным образом уменьшается способность частичек к связыванию воды, а именно водоугольное топливо имеет более высокую концентрацию твердой фазы.
Дальнейшая обработка гидравлической смеси в диспергаторе оказывает содействие созданию коллоидной системы с твердыми частичками размером менее чем 5 мкм, в результате чего получают водоугольное топливо с улучшенными физико-механическими, структурно-реологическими, теплофизическими и экологическими свойствами для его продолжительного хранения, транспортировки и сжигания в энергетических установках, включая дизельные и газотурбинные.

Возможный эффект от внедрения ВУТ

На практике применение суспензионного угольного топлива делает реальной замену как обычного угля и малоэффективных методов его сжигания в слоевых топках, так и дефицитных редких и газообразных видов топлива [9].
Особенно проблема обостряется в угольных регионах, где вокруг угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий в гидроотвалах и отстойниках накапливается большое количество отходов углеобогащения в виде тонкодисперсных угольных шламов. Ее решают, как правило, довольно примитивным путем. Воды шахтного притока, технологические воды обогатительных фабрик с мелкими угольными частичками скидываются в поверхностные отстойники, которые периодически чистятся механо-гидравлическим способом; повторно добытые угольные шламы или скидываются в отработанные выработки шахт, или в ближайшие овраги и водоемы. В отдельных случаях отходы флотации обезвоживают и складируют на свободных площадях [10].
Перевод шламов в транспортабельное и технологически удобное суспензионное водоугольное топливо обеспечит важный экономический эффект и резко улучшит экологическую обстановку в регионах. При этом, получаемое топливо и технологии его использования должны отвечать требованиям современного рынка: экономическая конкурентоспособность и минимально возможное опасное экологическое влияние на окружающую среду при его получении и использовании. [11].
Стратегические цели при внедрении суспензионного угольного топлива определяются: минимизацией затрат на реконструкцию существующих систем теплоэнергетики; увеличением экономической и экологической эффективности систем теплоэнергетики и созданием экономической мотивации для отказа от использования топочного мазута, природного газа и угля со слоевым сжиганием; повышением надежности и гарантированной трудоспособности систем теплоэнергетики; усилением энергобезопасности конечных потребителей. Судя по откликам специалистов, которые внедряют ВУТ, это один из важнейших энергоносителей будущего [12]. Главные его преимущества - дешевизна и екологичность. Вдобавок, ВУТ пожаро- и взрывобезопасное. Технологии его хранения и транспортировки просты и могут быть полностью автоматизированы, перекачивание можно осуществлять по трубопроводам аналогично нефти. В отличие от мазутных цистерн, емкости, в которых зимой транспортируется ВУТ, легко очищаются от остатков топлива [13].
Переработка шламов в ВУТ решит и некоторые другие проблемы областей угледобычи и ЖКХ. Рекультивация земель, занятых отвалами и отстойниками, улучшит экологическую обстановку на угольных шахтах и разрезах, а переход котельных на автоматизированные процессы сжигания ВУТ существенно уменьшит долю ручной работы.
Вопрос об использовании ВУТ в мировой практике не теряет своей актуальности. Работы по совершенствованию и внедрению инноваций в начале 21 столетия не прекращаются в Японии, Италии, США, Канаде и других странах. В США реализуется программа использования угля в промышленной и бытовой энергетике с общим объемом финансирования в $6 млрд. на ближайшие 6-10 лет. При росте цен на нефть и снятии ограничений на строительство углепроводов прогнозируется начало интенсивного применения водоугольного топлива в разных областях промышленности [14]. Отсутствие достаточного количества собственных месторождений нефти и природного газа в Китае заставляет страну ориентировать развитие своей энергетики на угольное топливо. В то же время, жесткие требования к охране окружающей среды усложняют правила его использования. В мегаполисах КНР запрещены строительство и эксплуатация котельных, которые работают на угле. Государственной программой правительства Китая предусмотрен поэтапный переход предприятий от нефтегазового на водоугольное топливо. Это обеспечит сокращение импорта нефти более чем на 70 млн. т, мазута - на 20 млн. т на год, который уменьшит зависимость топливно-энергетического комплекса страны от внешнего рынка [15].

Выводы

Несмотря на широкое внедрение нового вида жидкого топлива в промышленное производство, до сих пор не разработаны четкие рекомендации по регулированию параметров ВУТ. Многочисленные экспериментальные данные дают разнообразную, временами противоречивую оценку влияния отдельных факторов на текучесть и седиментационную стойкость водоугольных суспензий.
Это объясняется тем, что существующие теоретические основы регулирования свойств высококонцентрированных дисперсных систем не учитывают особенностей состава твердой фазы ВУТ. Отсутствие теоретически и экспериментально обоснованной зависимости между составом, количеством минеральных примесей в ВУС и ее реологическими параметрами препятствует созданию водоугольного топлива с необходимыми качественными характеристиками.

Анализ существующих решений по получению ВУТ показал, что зольность твердой фазы колеблется в широких границах и определяется, в основном, требованиями потребителей к качеству топлива. При этом существуют лишь одиночные работы по определению экономически целесообразного уровня зольности угля в суспензии [19], что особенно важно при использовании ВУТ как заменителя сухого угля на ТЭС и в котельных. Невысокие требования потребителей к уровню зольности твердой фазы в этом случае (А_d < 10-12 %) допускают возможность создания разнообразных технологических схем, которые позволяют получать ВУТ с разным содержанием минеральных примесей. И только на основании сравнения всего комплекса затрат на приготовление, транспортировку и сжигание ВУТ можно выбрать вариант технологии получения ВУТ с максимальной экономической эффективностью.

На основании обзора литературных источников можно сказать о том, что при разработках технологий приготовления твердой фазы ВУТ не учитывается влияние методов обогащения, и в частности флотации и масляной агломерации, на параметры водоугольного топлива. Отсутствуют любые данные о влиянии предыдущего омасливания поверхности угля аполярными реагентами на эффективность ее взаимодействия с реагентами-пластификаторами, на агрегативную стойкость и текучесть ВУС. В то же время, разный характер воздействия реагентов-собирателей и пластификаторов привносит отрицательное влияние флотационного и масляно-агломерационного обогащения на реологические свойства водоугольного топлива.

Литература

1. Делягин Г.Н. Экологически чистое топливо ЭКОВУТ – путь резкого улучшения экологической ситуации в энергетике России. с.320 – 323
http://energo20.ru/article-88-43-453.html

2. Исскуственное композиционное жидкое топливо из угля и эффективность его использования / Овчинников Ю.В. д.т.н., Луценко С.В.
http://www.rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=624

3. Использование вибромельниц для приготовления ВУТ
http://www.nbuv.gov.ua/portal/natural/Mt/2008/St/08pvaeim.pdf

4. Влияние температуры на реологические характеристики водоугольных суспензий из бурых углей / М.П. Баранова, М.Л. Щипок, Б.Н. Кузнецов
http://liquidcoal.ru/2008/10/17/33

5. Технологии сжигания водоугольного топлива (ВУТ) в котельных и на электростанциях / Ф. А. Серант, Л. И. Филин, Ю. В. Овчинников, К. В. Агапов, В. Ф. Рульковский, Ю. Н.
http://svetercom.ru/news/1/24/

6. Получение высококонцентрированного ВУТ на основе бурых углей разной степени окисленности / Савицкий Д. П., Макаров А. С., Егурнов А. И.
http://vodougol.ru/technology

7. Евгений Карпов Газета "Энергетика и промышленность России"
http://www.ntpo.com/patents_fuel/fuel_4/fuel_32.shtml

8. Павел Сухов Огненная вода
http://www.ntpo.com/patents_fuel/fuel_4/

9. Применение экологически чистого водоугольного топлива - один из путей энергосбережения / В. И. Мурко, д.т.н., директор ФГУП «НПЦ «Экотехника», В. И. Федяев генеральный директор ЗАО НПП «Сибэкотехника»
http://masters.donntu.ru/2009/feht/bondarenko/ htm

10. Газета: № 03 (119) февраль 2009 года: Производство и энергетика: Кавитационная технология приготовления водоугольного топлива
http://www.ntpo.com/patents_fuel/fuel_1/fuel_26.shtml

11. А. А. Круть, канд. техн. наук, НПО «Хаймек», Л. Н. Козыряцкий, канд. техн. наук, Донецкий национальный технический университет ВУТ на основе угольных шламов
http://www.inno.ru/project/29649

12. Кавитационные технологии для приготовления жидкого угля.
http://liquidcoal.ru

13. Морозов А.Г., Мосин С.И., Мурко В.И. ВУТ в теплоэнергетике // Энергия: экономика, техника, экология. 2007. № 4

14. Делягин Г.Н., Корнилов В.В., Кузнецов Ю.Д., Чернегов Ю.А. Совершенствование водоугольного топлива и перспектива его применения // Приложение к научно-техническому журнала «Экономика топливно-энергетического комплекса России». М.: ВНИИОЭНГ. 1993. 31 с.

15. Брагин Б.Ф. Трубопроводный гидротранспорт твердых материалов: В 2 т.- Киев, 1993.-Т.2.- 327 с.