ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОГО ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ОСНОВЕ БУРОГО УГЛЯ РАЗНОЙ СТЕПЕНИ ОКИСЛЕННОСТИ

Савицкий Д. П., Макаров А. С., Егурнов А. И.

Институт коллоидной химии и химии воды Национальной академии наук Украины, Киев, Украина

В связи с сокращением запасов нефти и газа и ростом цен на энергоносители необходим поиск новых энергоресурсов. Одно из решений этой проблемы – создание альтернативных топливных материалов на основе угля, в том числе водоугольного топлива, представляющего собой высококонцентрированную водоугольную суспензию (ВВУС), в которой дисперсной фазой являются частицы угля размером менее 250 мкм, а дисперсионной средой – вода. Для приготовления ВВУС можно использовать угли разных марок, отходы углеобогащения, шахтные и промышленные воды и др.

Преимущества такого топлива – более высокая теплота сгорания при меньшем расходе воздуха, а также высокая степень выгорания. Минеральные компоненты угля при выгорании капли агломерируются, образуя высокопористые сферы, что позволяет вести процесс с малым избытком воздуха. Мелкодисперсные частицы золы укрупняются в прочные пористые ксеносферы размером 0,3–0,5 мкм и легко задерживаются обычными механическими сепараторами. Степень улавливания таких зольных агломератов достигает 95–99 %, что предотвращает загрязнение атмосферы. В зоне горения капель ВВУС происходит восстановление окислов азота и серы, в результате чего в 1,5–2 раза сокращаются выбросы этих газов по сравнению со сжиганием угля в пылевидном состоянии. Стоимость ВВУС в расчете на тонну условного топлива ниже стоимости мазута в 2–4 раза и всего на 10–15 % превышает цену угля.

Сложность приготовления ВВУС состоит в необходимости создания стабильной дисперсной системы с невысокой вязкостью и максимально возможным содержанием твердой фазы. При получении ВВУС из каменного угля удалось достигнуть концентрации твердой фазы 60–65 %.

Согласно энергетической стратегии Украины, планируется увеличение объемов добычи бурого угля открытым способом. Реакционная способность бурого угля на порядок выше, чем каменного и антрацита, а температура воспламенения вследствие высокой концентрации летучих веществ (30–50 %) значительно ниже. Однако он имеет повышенную исходную влажность, что в значительной мере затрудняет процесс получения ВВУС с требуемыми реологическими и теплофизическими характеристиками.

Задача данного исследования – разработка способа приготовления на основе бурого угля разной степени окисленности ВВУС с максимально возможным содержанием твердой фазы, минимальной вязкостью и необходимой седиментационной устойчивостью.

Исследовали окисленные и свежедобытые (неокисленные) бурые угли марки Б, группы 1Б с влажность 56,5 %, зольностью 18,4 % (Донецкий бассейн, г. Александрия, Демитровский разрез). Для увеличения содержания твердой фазы в ВВУС и удельной теплоты сгорания топлива снижали влажность угля, подсушивая его до постоянного веса при температуре 110 °С, которая не приводит к заметному изменению физико-химических свойств угля. Чтобы обеспечить седиментационную устойчивость системы и стабильность ее реологических характеристик при хранении и транспортировании, в ВВУС в качестве пластификатора вводили лигносульфонат натрия (ЛСТNa)

Его использовали также в сочетании с NaOH, который интенсифицирует механодеструкцию и оказывает разжижающий эффект.

На рис. 1 показаны зависимости от времени вязкости суспензий, приготовленных из окисленного и неокисленного бурых углей. Содержание твердой фазы в ВВУС составляет 50 %. В качестве пластификатора введен 1 % ЛСТNa.

Рис. 1. Изменение со временем вязкости ВВУС, содержащей 50 % твердой фазы, в присутствии 1 % ЛСТNa:
1 — окисленный бурый уголь; 2 — неокисленный бурый уголь

Вязкость ВВУС из неокисленного угля намного ниже, чем из окисленного, и более стабильна во времени. Это, очевидно, можно объяснить уменьшением адсорбции пластификатора из-за низкой адсорбционной активности окисленного угля.

Наличие щелочи (рис. 2) значительно повышает стабильность и снижает вязкость ВВУС, приготовленной как из окисленного, так и неокисленного бурого угля. Это указывает на совокупность электростатического и стерического эффектов и более полную адсорбцию пластификатора.

Рис. 2. Изменение со временем вязкости ВВУС, содержащей 50 % твердой фазы, в присутствии 1 % смеси с различным содержанием ЛСТNa и NaOH:
1 — окисленный бурый уголь, ЛСТNa (80 %) + NaOH (20 %); 2 — окисленный бурый уголь, ЛСТNa (90 %) + NaOH (10 %); 3 — неокисленный бурый уголь, ЛСТNa (80 %) + NaOH (20 %); 4 — неокисленный бурый уголь, ЛСТNa (90 %) + NaOH (10 %)

Таким образом, с помощь предложенного метода удалось получить пригодную для сжигания в котлах и печах ВВУС с концентрацией твердой фазы 50 % и требуемыми реологическими свойствами. Доказана необходимость использования свежедобытого угля для получения ВВУС. В дальнейшем исследования будут направлены на повышение концентрации твердой фазы в системе и создание других композиционных топливных материалов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

А. А. Кричко, С. Г. Гагарин, С. С. Макарьев, Химия твердого топлива, 6 (1993) 27.
M. W. Haenel, Fuel, 71 (1992) 1211.
P. R. Solomon, T. H. Fletcher, R. J. Pugmire, Ibid., 72 (1993) 587.
П. Н. Кузнецов, Я. Бимер, П. Д. Салбут, ДАН, 339, 1 (1994) 55