Статья: Водоугольные суспензии в энергетике

составом, свойствами и необходимым содержанием химических добавок — ПАВ (стабилизаторов и дисперсантов);

содержанием и составом минеральных примесей, включая такие экологически вредные, как соединениясеры и другие токсичные вещества.

Непременным элементом технологии приготовления ВУС является измельчение угля в мельницах различного типа и энергонапряженности. Обычно ВУС готовят непосредственно в процессе измельчения угля, когда мельницу используют и как смеситель суспензии. Однако более экономичны схемы приготовления ВУС в два этапа, когда уголь измельчают по технологии пылеприготовления, а смешивают его с водой в смесителе. Иногда (например, в терминале Белово-Новосибирск) для минимизации вязкости суспензию измельчают в шаровой и стержневой мельницах (уголь бимодального гранулометрического состава). Процесс приготовления ВУС завершается в дополнительном смесителе. Степень измельчения угля зависит от назначения и условий использования суспензий. Дисперсность суспензий, предназначенных заменить углеводородное топливо в двигателях внутреннего сгорания, должна быть значительно большей, чем суспензий, применяемых на ТЭС вместо мазута. Верхний предел размеров частиц угля для каждого способа использования суспензии устанавливают исходя из условий минимальных механического недожога и расходов на диспергирование. Вязкость суспензии должна быть наименьшей при наибольшей стабильности и минимальных затратах на тонкое измельчение. Затраты приготовление (измельчение и смешение) в сумм расходами на ПАВ в значительной мере определяет стоимость и экономическую конкурентоспособное угольных суспензий с другими видами топлива.

Основное качество ВУС при прочих одинаковых свойствах угля (теплота сгорания, зольность, минералогический состав и исходная влажность) и одинаковых затратах на приготовление определяют ее реолгические характеристики (вязкость и стабильность, которые зависят от многих факторов. К их числу относятся свойства дисперсионной среды, состав, плотность и содержание дисперсной фазы, ее гранулометрический состав, лиофобно-лиофильный баланс по поверхности раздела фаз, энергия их поверхностность взаимодействия. Для улучшения технологических характеристик ВУС, а также для повышения качеств распыления при сжигании в них добавляют (как правило) поверхностно-активные вещества, которые могут быть введены на стадии измельчения или смешивания. Существенны молекулярная структура ПАВ их содержание в суспензии.

Суспензия является метастабильной коллоидной системой. Устойчивость к выпадению в осадок твердой фазы определяется физико-химическими свойства ми угольных частиц — образованием в суспензии пространственного каркаса. Однако даже хорошо стабилизированные суспензии расслаиваются в течение нескольких дней. Образуется плотный осадок, который вернуть во взвешенное состояние можно только интенсивным перемешиванием. Гомогенизация — непременный элемент приготовления ВУТ, предназначенного для транспортирования. Затраты электроэнергии на приготовление ВУТ в терминале Белово-Новосибирск составляли 72 кВт*ч/т, из которых 14 кВт*ч/т затрачены на гомогенизацию. Расходы на ПАВ в том же комплексе в 3 раза превышали стоимость электроэнергии. В сумме они превышали стоимость угля в районе его добычи.

Оптимальные (по затратам электроэнергии на приготовление) параметры ВУС, предназначенных для различных областей использования, приведены в табл. 1. Обогащение рядового угля следует считать желательным для всех видов ВУС и во всех случаях их применения. Моторное топливо для ДВС изготавливают из угля, обогащенного и деминерализованного до остаточной зольности не более 2 %. В суммарном балансе стоимости энергии некоторые параметры противостоят один другому. Так, увеличение дисперсности угля повышает стабильность суспензий и облегчает их сжигание. Вместе с тем с повышением дисперсности угля увеличиваются затраты на измельчение, растет вязкость суспензий (при одинаковых содержании в них угля, составе и содержании ПАВ) и, следовательно, растут транспортные расходы и затраты на ПАВ. Для экономики производства, транспортирования и сжигания СУТ содержание в нем угля является одним из решающих факторов — особенно для транспортирования и эффективности сжигания водных суспензий.

Таблица 1 - Оптимальные параметры ВУС

Параметр	Области применения
	Угольные ТЭС	Мазутные ТЭС	Котельные	ДВС	Газогенераторы
Содержание угля, % (по массе)	60...70	60...70	62...65	48...54	50...65
Вязкость, Па*с, при 100 c-1, не более	1, 0	1, 0	0, 5	0, 3	1, 2
Содержание серы в сухом угле, % (по массе), не более	1, 2	1, 2	0, 8	0, 6	1, 0
Средняя теплота сгорания, кДж/кг	21000	21000	21000	14600	18800
Зольность угля, % (по массе)	> 12	3...5	2...6	0, 5...1, 0	> 12
Размер частиц, мкм, не более	250	150	45	25	200
Стабильность, сут, не менее	120	120	180	10	10

Значительной экономической составляющей суспензионных технологий являются затраты на модернизацию энергетических установок. Неизбежность модернизации и усложнения двигателей внутреннего сгорания обусловлена сравнительно высокой абразивностью твердого топлива, более низкими, чем для нефтетоплива и газа, воспламеняемостью и скоростью горения. Износ уменьшается, а вследствие этого срок службы энергоагрегатов, переводимых на ВУС, увеличивается с повышением дисперсности угля и с уменьшением содержания в нем минеральных примесей. Мазутные ТЭС при зольности угля более 5 % необходимо оборудовать системами золоудаления. К настоящему времени на основании анализа большой совокупности исследований [5—17] можно считать определившимися оптимальные технические характеристики ВУС по видам их использования (см. табл. 1). При этом нашли отражение технологические, экономические и экологические факторы процессов приготовления и использования ВУС. Разумеется, эти характеристики соответствуют только современному уровню технологий. По мере их развития, например, в результате промышленного использования более износостойких и жаропрочных металлов и композитных материалов оптимальные по экономическому показателю технические свойства ВУС будут меняться, и замена нефтепродуктов суспензионным угольным топливом станет все более выгодной.

ВОДОУГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО ВМЕСТО УГЛЯ

Промышленное использование ВУТ в тепловых котельных, спроектированных для сжигания угля, как и применение шламовых суспензий, оказалось экономически и технически неэффективным3. Работы этого направления проводили в России. В настоящее время они прекращены, построенные установки после недолгой работы по их отладке демонтированы.

Нерентабельность ВУТ для угольных ТЭС и тепловых котельных следовало считать вполне ожидаемой. Затраты на приготовление и сжигание ВУТ по жидкостной схеме значительно превосходят затраты при слоевом и пылеугольном сжигании. В реальных условиях тепловые котельные необходимо было дооснастить установками приготовления, хранения и топливоподачи суспензии. Для этого нужны капитальные вложения и дополнительные производственные площади. Топливные тракты и форсунки также необходимо модернизировать.

Промышленная установка производства ВУТ в оптимальном по затратам ее варианте представляет собой помольный модуль, в который входят: дробилка и мельница с системой подачи и дозирования угля, система обеспыливания с рукавным фильтром и эксгаустером, циклоны для готовой угольной пыли и смесители для приготовления суспензии (рис. 4). Далее расположены устройство отбора готовой суспензии с металлоуловителем, пульповые насосы со смесителем и промежуточная емкость для готовой суспензии, второй насос подачи суспензии в форсунки. Для обеспечения факельного горения ВУТ необходимы форсунки, которые должны быть существенно более износостойкими, чем горелки, работающие на сухом угле.

Рисунок 4 - Схема технологической линии приготовления ВУС с частичным обогащением угля. Расчетная производительность линии 400...500 т/ч. С - склад угля; Д - молотковая дробилка; К - классификатор; Ц - циклон; Ф - фильтр; В - вентилятор; СМ - среднеходная мельница; МТ - трубная мельница; ХД - резервуар для химической добавки; Ш - шнековый смеситель; М - лопастный смеситель; Б - хранилище суспензии; О - отходы углеобогащения; УВ - углевоздушный поток; У - уголь; ВО - воздушный поток; Г - топочный газ; БУ - блок утилизации отходов

На сухое измельчение угля до крупности, характеризуемой остатком на сите с ячейками размером 250 мкм менее 5 %, в современных молотковых и среднеходных мельницах затрачивается электроэнергии 12...15 кВт*ч/т. Затраты, обусловленные износом металла мелющих тел, не превышают затраты на электроэнергию. Восстановительная атмосфера практически исключает химическую коррозию.

Затраты электроэнергии на приготовление ВУТ по наиболее примитивной (и потому наиболее применяемой) схеме (измельчение угля в составе суспензии) значительно превышают соответствующие затраты на сухое пылеприготовление до равной дисперсности. Они составляют не менее 25 кВт*ч/т. Обусловлено это высокой вязкостью суспензии, в которой затруднены движения мелющих тел и разрушение частиц угля. Механический и коррозионный износы мелющих тел в 3...5 раз (в зависимости от марки стали) превышают таковые при сухом измельчении.

Приведенные затраты электроэнергии и металла относятся к технологии, в которой не предусмотрено транспортирования ВУТ по трубам. Для оптимизации вязкости и концентрации ВУТ, предназначенного для транспортирования, необходимо примерно треть угля измельчать до частиц менее 60 мкм, что в 3 раза повышает затраты на его приготовление. Для стабилизации применяют ПАВ, стоимость которых по удельному расходу сопоставима со стоимостью угля.

При прямом приготовлении суспензий затрачиваемая мельницей электроэнергия (25 кВт*ч/т) трансформируется в тепло и расходуется в основном на испарение содержащейся в ВУТ воды. Согласно расчетам и экспериментальным данным, в процессе приготовления на 1 т ВУТ испаряется примерно 15 кг воды. При производительности мельницы, например, 3 т/ч за 1 ч ее работы испаряется 45 кг воды, за 1 сут — 1 т. Для предотвращения конденсации пара в помещении помольную установку необходимо оборудовать пароотводящей системой. В противоположность этому в машинах сухого пылеприготовления механическая энергия измельчения вместе с теплом подводимых к ним топочных газов полезно используется для подсушки угля. Пар удаляется системой аспирации помольной установки.

Расходы на приготовление ВУТ по примитивно схеме (не считая стоимости входящей в него воды) несколько раз превышают расходы на пылеприготовление угля равной дисперсности (мельницы сухого измельчения работают с воздушной сепарацией частей по размерам, что почти в 2 раза снижает затраты энергии; износ мельниц сухого помола в несколько раз меньше). Они составляют не менее 12 % стоимости угля и существенную долю стоимости получаемой электроэнергии. Если ВУТ предназначено для транспортирования по трубам, затраты на его приготовление значительно увеличиваются. Процессу горения неизбежно предшествует полное испарение воды. Согласно теплотехническим расчетам при сжигании ВУТ на испарение воды затрачивается примерно 5 % входящего ВУТ угля (1 % на каждые 10 % воды). В соответствии с полученными во ВТИ экспериментальными данным при сжигании ВУТ температура горения примерно 150 °С ниже, механический и химический недожог минимум на 2...3% больше, КПД котла на 2...5 меньше, чем при сжигании пылеугольного топлива.

По изложенным причинам в производстве энергии4 технология ВУТ значительно уступает пылеугольной по капитальным и эксплуатационным затратам.

Экологические преимущества ВУТ, на которые принято ссылаться, сомнительны и недостаточно обоснованы. Атмосферные выбросы (кроме оксидов азота как и состав золы и шлака, определяются химическим составом минеральных включений в угле и полноте его выгорания. Они не могут быть уменьшены добавлением к углю воды. Механохимические эффекты при столь грубом (как для получения ВУТ) измельчении не проявляются [18, 20]. По этим причинам приписывание ВУТ некоторых не свойственных углю особых свойств (более высокая теплота и полнота сгорания, снижение температуры воспламенения, уменьшение выбросов оксидов серы и углерода) следует отнести к разряду технической мистификации.

В экспериментах получено снижение выбросов оксидов азота примерно в 2 раза. Этот факт является следствием понижения температуры факела, обусловленного затратами тепла на испарение воды. К такому же результату приводит и простое добавление воды в факел горения сухого угля. Однако уменьшение температуры факела понижает устойчивость горения и неизбежно приводит к снижению КПД тепловых агрегатов.

СУСПЕНЗИОННОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ МАЗУТНЫХ ТЭС И КОТЕЛЬНЫХ

Два обстоятельства определяют актуальность использования ВУС для мазутных ТЭС. Первое из них диктуется стратегическими интересами стран, энергетика которых (например Японии) базируется в основном на нефтяных топливах, второе — экономическими задачами. Цены на мазут в связи с увеличением глубины переработки нефти и увеличением выхода легких фракций растут даже при относительной стабильности цен на нефть. В настоящее время цены на мазут превышают цены на сырую нефть.

Использование суспензий из угля обычной зольности (10... 12 % и более) на мазутных ТЭС и в котельных сопряжено с необходимостью их оснащения системами золо и шлакоудаления, подобными тем, которые применяют на угольных ТЭС. Однако если зольность суспензий не превышает 5 %, системы пылеулавливания мазутных ТЭС нуждаются лишь в сравнительно небольшой модернизации. Обогащение угля до такой зольности, как известно, не требует применения дорогостоящих методов химической деминерализации или масляной агломерации. Для обогащения угля до зольности 5 % пригодны технология осаждения в циклонах с тяжелыми средами и колонная флотация.

Водоугольные суспензии как замену части мазута в промышленном масштабе применяют на ТЭС и в тепловых котельных. Особенно показательны успехи Японии. Первой фирмой, разработавшей промышленную технологию производства и утилизации угольномазутных суспензий, стала корпорация «Мицубиси». С 1985 г. такое топливо используют в двух энергоустановках мощностью 265 МВт каждая. На ВУС работает пилотная ТЭС мощностью 7, 5 МВт при расходе топлива 3, 2 т/ч. Агрегаты мощностью 60 и 100 МВт потребляют ВУС до 21 т/ч. На некоторых приморских ТЭС были модернизированы системы сжигания и золоудаления, что позволяет использовать водоугольное топливо в промышленном масштабе. Суспензию сжигают совместно с мазутом, как правило, ночью или во время значительного снижения нагрузок.

Построены и функционируют опытнопромышленные установки производства ВУС, предназначенные для замены мазута, в США, Италии, Швеции, Германии, Китае.

СУСПЕНЗИОННОЕ УГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Тепловые генераторы ТЭС и котельных являются двухконтурными. Тепловая энергия продуктов сжигания топлива передается рабочему телу (водяному пару) через теплообменные стенки, отделяющие топливные камеры от контура парообразования. Напротив, в двигателях внутреннего сгорания продукты сжигания, а с ними и водяной пар являются совокупным рабочим телом в едином для них объеме камеры. Часть тепла, выделяющегося при сжигании топлива, расходуется на испарение воды, что облегчает охлаждение двигателя. Поэтому использование ВУС в двигателях внутреннего сгорания по совокупному тепловому эффекту экономически перспективнее, чем в двухконтурных тепловых агрегатах.