На грани 70 – 80 г.г. прошлого столетия мировой энергетический кризис приобрел перманентный характер, что связано с окончанием эры «дешевой нефти». К 2000 г. было израсходовано:

- 87% мировых запасов нефти;
- 73% мировых запасов природного газа;
- 2% мировых запасов угля.

Это касается энергетических ресурсов, доступных для современных технологий их извлечения. Одновременно началась интенсивная разработка технологий, позволяющих использовать альтернативные источники энергии: солнечную энергию, энергию морских приливов, ветра и т.п. Однако, несмотря на значительный прогресс в этой области в последнее время, реально на ближайшие 30 – 40 лет, по оценкам экспертов, основным энергетическим ресурсом остается уголь. В связи с этим США провозгласили в конце 90-х годов возврат к «эре угля», в настоящее время не менее 75% электростанций США переведено на это топливо. Вместе с тем переход к «эре угля» на основе технологии его использования 50 - 60 г.г. прошлого столетия невозможен по ряду причин: технологических, экологических, экономических и т.п.

Среди новых угольных технологий большой интерес представляет технология водоугольного топлива (ВУС, ВУТ, ИКЖТ), которая возникла с появлением в 50 ? 60 гг. прошлого столетия гидротранспорта угля. Необходимость сжигания обводненной угольной мелочи привела к разработке т.н. водоугольных суспензий (ВУС) и методов их сжигания. Дальнейшее совершенствование технологии (улучшения реологических характеристик ВУС и его стабильности путем использования результатов исследований в области углехимии и разработка присадок) привело к созданию водоугольного топлива (ВУТ).

Наиболее интенсивно разработка технологии ВУТ проводилась в Японии и Китае. Это иллюстрирует рис. 1 [1].

Рис. 1. Производство (итоговое) ВУТ в различных странах в период с 1983 г. по 1995 г. (тыс. тонн).

Основными аппаратами по переработке водо-угольной смеси в традиционных технологиях производства являются шаровые или стержневые мельницы мокрого помола. Принципиальная схема производства ВУТ по традиционной технологии приведена на рис. 2.

Основными недостатками таких технологий является высокая металло- и энергозатратная составляющая. Так, для традиционных технологий энергозатраты составляют [2]:

- предприятие по производству ВУТ компании Yanri CWM Ltd (Китай), 248,18 кВтч/т продукции; - ОПУ «Белово – Новосибирск», Россия – 192 кВтч/т продукции; - исследовательский центр по угледобыче (Япония) – 86,12 кВтч/т продукции.

Основная причина высоких удельных расходов энергии – низкий (менее 1%) энергетический к.п.д. ШБМ мокрого помола. Стержневые мельницы мокрого помола имеют несколько лучшие энергетические показатели, но и при использовании этих мельниц удельные расходы электроэнергии высоки.

Анализ требований рынка продаж ВУТ, особенно международного, показал, что основным недостатком этого топлива является его низкая устойчивость (стабильность), не превышающая в большинстве случаев 1 – 2 месяцев. Анализ низкой устойчивости ВУТ в свою очередь показал, что причиной этого является недостаточная прочность системы «жидкость – твердая фаза», которая образуется в процессе переработки исходных материалов по традиционной технологии. Для укрепления системы необходимо было повысить активность (реакционную способность) как твердой, так и жидкой фазы.

Рис. 2. Принципиальная технология производства ВУТ. 1 – угольный бункер; 2 – шнековый питатель; 3 – смеситель; 4 – мешалка; 5 – шаровая барабанная мельница мокрого помола; 6 – электропривод; 7 – гидроциклон; 8 – промежуточный бак; 9 – расходный перистальтический насос. А – сырой уголь; В – вода; С – добавки; Д – готовое ВУТ.

Для активизации компонентов были применены современные методы переработки минерального сырья в аппаратах, использующих новые физические процессы. В результате было получено топливо с повышенной реакционной способностью, пригодное к хранению без разрушения физико-химической системы более года. Мы назвали это искусственное композитное жидкое топливо – ИКЖТ [3].

Технологическая линия, скомпонованная в соответствии со способом производства ИКЖТ, показана на рис. 3.

Уголь А из бункера 1 питателем-дозатором 2 подается в дробилку первичного измельчения 3. Первично измельчённый до фракции 2 мм уголь поступает в диспергатор ультратонкого измельчения 4, в котором размалывается до состояния порошка со средним размером частиц 30 мкм. В миксере 5 угольный порошок активно смешивается с водой В и технологическими добавками С, амелиорирующими свойства ИКЖТ. Смесь из миксера поступает в кавитатор 6, в котором производится доработка топливной композиции. При этом образуется значительная ультрадисперсная фракция (5…10 мкм) угольного компонента, а также происходят изменения в жидкой фазе. При необходимости, в зависимости от марки исходного угля, обработка топлива может производиться в циклическом режиме с использованием буферного бака 7, поскольку производительность кавитатора 6 выше производительности диспергатора 4. Готовое топливо ИКЖТ поступает в бак 8.

Схема предлагаемой технологической установки линейная, что очень удобно с точки зрения автоматизации технологического процесса. Вместе с тем эта схема позволяет достаточно гибко организовать производство ИКЖТ и, в зависимости от исходных компонентов, получать топливо со следующими характеристиками:

- высокой калорийностью (до 6000 ккал/кг);
- низкой зольностью (1-1,5%);
- удовлетворительной текучестью (900-1000 спз в диапазоне температур 20-70оС);
- высокой стабильностью (сохраняет структуру при хранении в продолжение не менее 1 года и при транспортировке автомобильным транспортом на расстояния не менее 500 км).

При совокупности этих качеств ИКЖТ способно замещать мазут в топливопотребляющих энергетических установках практически без переделки систем топливоснабжения.

Высокая калорийность ИКЖТ достигается при применении качественных обогащенных углей, отмытых во флотационных машинах от глинистых минеральных примесей, со сниженным содержанием золы до 2-3% в твердой фазе и при высокой концентрации угольного компонента до 70-75%.

Стабильность топливной системы является показателем изменения с течением времени разных характеристик в процессе транспортировки или стационарного хранения. Являясь важной товарной характеристикой, стабильность ИКЖТ может и не иметь особого значения при использовании топлива немедленно (несколько суток) после его получения.

Повышение устойчивости ВУТ может быть достигнуто различными способами:

- введением в ВУС добавок, создающих «пространственное затруднение» к коагуляции частиц или создающих электростатический барьер между частицами твердой фазы [1];
- образованием в ВУС ультрадисперсной фазы (с размерами частиц менее 1 мкм) и бимодальным распределением твердых частиц в системе [4].

Мы предложили еще один метод: не исключая вышеназванные способы повышенной устойчивости, можно проводить механохимическую активацию как твердой, так и жидкой фазы. Активизация достигается последовательной обработкой компонентов в дезинтеграторах и кавитаторах [5, 6]. Исследование этих процессов изложено в работе [7].

Согласно нашим данным, энергопотребление в дезинтеграторах при помоле углей составляет приблизительно 10 кВтч/т. Теоретические и экспериментальные данные по размолу в дезинтеграторах кварцевого песка приводит И.А. Хинт в своей монографии [8]. Эти данные для различных дезинтеграторов колеблются от 1 до 9 кВтч/т. Таким образом, дезинтегратор менее энергоемкая машина по сравнению с другими методами помола минерального сырья.

Очень важной характеристикой скоростного ударного помола является активация частиц угля в процессе помола, что объясняется аккумулированием частицами некоторого количества энергии ударного воздействия в дезинтеграторе. Общая аккумулированная энергия зависит от условий измельчения: интенсивности подвода энергии, свойств вещества, длительности процесса и составляет 10 ? 15%, однако в самых оптимальных условиях она не превышает 25 - 30% от подведенной энергии [9].

С точки зрения химии дефектных кристаллов твердое тело, содержащее по сравнению с равновесным повышенное количество дефектов, имеет более высокую реакционную способность.

В исследованиях немецких ученых показано, что работа диспергирования возрастает с уменьшением размеров частиц. Это объясняется тем, что по мере уменьшения размеров частиц снижается их дефектность и совершается переход от хрупкого разрушения к вязкому, при этом наблюдается своеобразное равновесие: разрушение – агрегирование с преобладанием пластичного течения.

На основании этой теории были установлены нижние пределы частиц, которые могут быть получены при сухом размоле, в частности, бурого угля (23 - 35 мкм), каменного угля (20 - 30 мкм). Мы при двухкратном помоле в дезинтеграторе получили для каменного угля марки Д практически те же значения. Получение в ИКЖТ значительной фракции ультрадисперсных частиц должно быть выполнено мокрым способом в кавитаторе.

Обработка в кавитаторе является не только способом получения вещества в мелкодисперсном состоянии, но и способом генерации различного рода структурных дефектов в объеме и активных состояний на поверхности дисперсных частиц, повышающих их реакционную способность.

При обработке водоугольной суспензии в кавитаторе можно выделить три периода, отличающихся характером изменения физико-химических параметров ВУС и свойствами дисперсной фазы [10]:

- кавитационное разрушение, гомогенизация и первичное диспергирование дисперсной фазы (продолжительность 5-10 мин.);
- основная фаза диспергирования: активация поверхностных физико-химических свойств дисперсной фазы, увеличение выхода ультрадисперсной фазы и соответственно увеличение объема осадка ВУС, возрастание структурно-механического барьера, седиментационной устойчивости ВУС (продолжительность 20-30 мин.);
- уменьшение агрегативной и седиментационной устойчивости ВУС при достижении критического значения степени диспергирования и концентрации мелкодисперсной фазы (продолжительность 10-20 мин.).

Кавитационное воздействие на жидкую фазу (воду) приводит к изменению ее физических характеристик, и эти изменения сохраняются достаточно долго. Наблюдается деструкция несущей фазы в результате кавитационного воздействия и вызванные им механические реакции [10]:

Возбужденная молекула воды наряду с излучением и диссипацией избыточной энергии в тепло может диссоциировать в соответствии с реакциями (*). Термолиз воды приводит к синтезу Н2О2 и способствует понижению рН. Полученные результаты [7] подтверждают вывод о кавитационном механизме возбуждения реакций (*) и о достижении метастабильных активированных состояний ИКЖТ. Экспериментально подтверждено появление в межфазной среде активных молекул H2O2 и O3.

Таким образом, продолжительность кавитационной обработки ИКЖТ не должна выходить за пределы второго периода (40 мин.), в этом случае мы получаем активированную дисперсную фазу и активированную междисперсную среду, что способствует проявлению эффекта электростатического отталкивания и структурно-механического барьера и устойчивой стабилизации ИКЖТ. Активированное жидкое композитное топливо обладает повышенной реакционной способностью.

Обработка ИКЖТ в кавитационных аппаратных весьма эффективна. Они обладают малой металлоемкостью, высокой производительностью и низким энергопотреблением (5 кВтч/т).

Эффективность от применения ИКЖТ возрастает при использовании маслосодержащей или загрязненной другими нефтепродуктами воды. Экономия топлива происходит за счет увеличения полноты сгорания, эксплуатации форсунок с минимальным избытком воздуха и снижения температуры уходящих газов.

Увеличение реакционной способности активированного искусственного квазижидкого топлива не снижает преимуществ водо-угольного топлива, таких как:

- уменьшения токсичности во всех технологических операциях (приготовление, транспорт, сжигание);
- взрыво и пожаробезопасность во всех технологических операциях;
- отсутствие пыли.

Водо-угольное топливо, ИКЖТ выгодно отличается от традиционного угля, мазута снижением количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу при сжигании, что неоднократно отмечали разные авторы.

Ниже в таблице 1 приведены литературные данные по выбросам в атмосферу [2].

Вредное вещество в выбросах	Уголь	Мазут	ВУТ, ИКЖТ
Пыль, сажа, г/м3	100 – 200	2 - 5	1 – 5
SO2, мг/м3	400 – 800	400 – 700	100 – 200
NO2, мг/м3	250 – 600	150 – 750	30 – 100

Использование кавитатора в схеме подготовки квазижидкого топлива в настоящее время положительно оценивается большинством разработчиков. Интерес представляет схема подготовки ВУТ, разработанная в проекте ООО «Радекс» [2]. Схема установки приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема ОПУ ООО «Енисейский ЦБК» по производству ВУТ 80 т/ч. 1 – бак угольной дробленки; 2 – основной бак; 3, 4 – дополнительные баки ВУТ; 5 – бак готового топлива; 6 – гидроциклоны; 7 – кавитаторы (диспергаторы); 8 – перекачивающий насос; А- уголь; В – вода; Р – реагенты.

В схеме применена двухступенчатая переработка ВУТ в кавитаторе I ступени с частотой 28 кГц, и в кавитаторе II ступени с частотой 54 кГц. ВУТ был хорошо гомогенизирован, с твердой фазой с размерами частиц около 20 мкм по моде, устойчивость топлива была весьма удовлетворительна.

Удельный расход электроэнергии составил около 20 кВтч/т ВУТ. Массовая доля воды в ВУТ составляло 54,4%; теплота сгорания ВУТ из отсевов углей черногорского месторождения была Qнр = 2646 ккал/кг.

Сжигание топлива проходило в штатном режиме. Обращает на себя внимание большой удельный износ металла кавитаторов g = 0,117 кг/т. ВУТ. Такой большой износ объясняется тем, что в рассмотренной схеме кавитатор нагружен несвойственными ему функциями размола твердых частиц с твердостью 4 – 5 единиц по шкале Мооса. Кавитатор в схеме нужен в первую очередь для образования физико – химической топливной системы. Более рационально вместо дробленки с размерами частиц до 7 мм и воды на вход в кавитаторы подавать смесь из тонкодисперсной угольной пыли (0,01?0,5 мм) и воды.

Такой подход применен в установках ФГУП «Экотехника» (г. Новокузнецк, д.т.н. Мурко В.И.). По схеме «Экотехника» ВУТ приготавливается с применением стержневых мельниц мокрого помола и дорабатывается в кавитаторе.

ФГУП «Экотехника» является лидером в Западно – Сибирском регионе в деле промышленного внедрения технологии ВУТ. ФГУП «Экотехника» разработала, кроме системы производства ВУТ, систему сжигания ВУТ на котлах малой мощности различных типов. К настоящему времени была проведена серия опытных сжиганий ВУТ в различных условиях, и сейчас «Экотехника» перешла к промышленной (штатной) эксплуатации котельных установок на водоугольном топливе, в том числе:

- технологический комплекс по приготовлению до 1 т/час и сжиганию ВУТ в котле тепловой мощностью 0,55 МВт на Беловском заводе горно-шахтного оборудования (БЗГШО);
- установка по приготовлению ВУТ из угольных шламов при котельной шахты «Тырганская» (г. Прокопьевск) производительностью до 2,5 т/час;
- паровой котел КП – 0,55 паропроизводительностью 700 кг/час в котельной ОАО «Хлеб» (г. Новокузнецк), работающей на ВУТ, доставляемом автотранспортом из г. Прокопьевска (расстояние 50 км);
- демонстрационная установка по подготовке угля, приготовлению, транспортировке, хранению и сжиганию угольных топлив (г. Новокузнецк).

Насколько эффективно использование ВУТ (ИКЖТ)? На этот вопрос можно ответить только на основе технико-экономического анализа конкретной ситуации. При этом необходимо учитывать такие обстоятельства, как:

- какой вид топлива вытесняется ВУТ;
- какие компоненты могут быть использованы для составления топливной композиции;
- находится ли установка по производству топлива у потребителя или топливо производится централизованно.

Кроме этих вопросов, есть еще и другие, не столь значимые. Элементарный технико-экономический анализ выполнялся неоднократно различными авторами, общим выводом является то, что замена углеводородных топлив, таких, как мазут и дизельное топливо, во всех случаях экономически выгодно, но также может быть выгодной и замена твердых угольных топлив. Такой расчет представлен в работе [1].

Потребителями ВУТ являются котельные, работающие, как правило, при использовании малоэффективного слоевого способа сжигания. Заменяемым топливом являются дефицитные и дорогостоящие марки и сорта углей. Кроме того, потребителями ВУТ могут быть теплогенерирующие установки, работающие на мазуте или природном газе.

Для заинтересованности потенциальных потребителей и безубыточной работы установки по приготовлению ВУТ цена реализации принята в размере 220 руб/т (при стоимости исходного угольного шлама 50 ? 70 руб/т). В этом случае при применении ВУТ в котельных стоимость 1 Гкал составит 75,8 руб., что на 23,8 руб. ниже по сравнению со слоевым способом сжигания рядового угля. (Все цены относятся к 2000 году). Ниже приведена табл. 2 [1] себестоимости ВУТ.

Затраты	Себестоимость
	при сжигании в собственной котельной		при отгрузке сторонним потребителям
	руб.	%	руб.	%
Стоимость исходного сырья (шлама)	72,5	59,8	72,5	61,7
Себестоимость приготовления подачи и сжигания погрузки	37,5 11,3 -	30,9 9,3 -	37,5 - 0,9	31,9 - 0,8
Налог в дорожный фонд	-	-	6,6	5,6
ВСЕГО	121,3	100	117,5	100

Таблица 2. Структура себестоимости ВУТ

Выводы

1. В условиях развития мирового энергетического кризиса, связанного с выработкой углеводородных энергетических ресурсов, новое значение приобретает технология водоугольных топлив, способных замещать мазут.

2. В настоящее время в Западно-Сибирском регионе в результате развития НИР созданы все предпосылки для внедрения технологии квазижидкого водоугольного топлива в промышленность. Технология ИКЖТ является наиболее продвинутой из всех известных в настоящее время.

3. Областью приложения технологий водоугольного топлива в первую очередь являются объекты малой энергетики: отопительные котельные, котлы коммунальных производств, объекты ЖКХ.

4. Наибольший экономический эффект от внедрения водоугольного топлива возможен при вытеснении жидких углеводородных топлив, однако, учитывая большую степень износа коммунальных энергоустановок, особенно в сельской местности, модернизация угольных котельных ЖКХ с переводом их на водоугольное топливо способна дать существенный экономический эффект.

Литература

1. Зайденварг В.Е., Трубецкой К.Н., Мурко В.И., Нехороший И.Х. Производство и использование водоугольного топлива. М., изд-во Академии горных наук. 2001, с. – 173.

2. Водоугольное топливо. Анализ результатов исследования характеристик ВУТ, полученного на ОПУ ООО «Енисейский ЦБК» ОАО Новосибирсктеплоэнергопроект», Новосибирск, 2004, с. – 26.(на правах рукописи).

3. Овчинников Ю.В., Ноздренко Г.В., Щинников П.А. и др. Способ производства жидкого композитного топлива. Патент на изобретение № 2151959. Приоритет от 08.06.1999.

4. Юдин Б.В. Разработка геомеханической модели высококонцентрированных водо-угольных дисперсных систем. Автореферат канд. диссертации. Кемерово, 2001, с. – 24.

5. Луценко С.В., Овчинников Ю.В., Евтушенко Е.А. Заявка на изобретение № 2005106639/06 (008086) «Способ получения искусственного композитного жидкого топлива» от 09.03.2005.

6. Овчинников Ю.В., Луценко С.В., Евтушенко Е.А. Физические процессы и механохимические эффекты в дезинтеграторах и кавитаторах при производстве ИКЖТ.// Энергосистемы, электростанции и их агрегаты. Сборник научных трудов. Вып. 9. НГТУ. Новосибирск, 2005, с. – 310.

7. Евтушенко Е.А. Разработка композитного топлива из торфа и низкореакционных углей для использования в промышленной энергетике. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск, НГТУ, 2003, с – 145.

8. Хинт И.А. Основы производства силикатных изделий. М. – Л. Изд-во литературы по строительству и архитектуре. 1962, с. – 600.

9. Авакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск. Изд-во «Наука», сибирское отделение, 1986, с. – 305.

10. Кулагин В.А. Методы и средства технологической обработки многокомпонентных сред с использованием эффектов кавитации. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. КГТУ, Красноярск, 2004, с. – 47.