Статья: Водоугольные суспензии в энергетике

Экономическая актуальность применения СУТ для дизелей и газовых турбин определяется тем, что они имеют, в основном, транспортное назначение, а транспорт потребляет примерно половину добываемых на Земле энергоресурсов — практически все светлые производные нефти и часть природного газа. При этом транспорт является и основным производителем загрязняющих атмосферу токсичных выбросов. Необходимо решить обе задачи — уменьшить расход нефтепродуктов и снизить выбросы токсичных продуктов сгорания (оксидов серы и азота, а также бенз(а)пиренов и асфальтенов). Для практической реализации СУТ для ДВС необходимо разработать достаточно экономичные процессы глубокой деминерализация угля и его сверхтонкого измельчения, обеспечить условия полноценного сжигания угольных суспензий с минимизацией износа деталей двигателя. Необходимо найти технологические средства нейтрализации или улавливания выбросов, образующихся при сжигании угольного топлива. Попытки использовать угольное топливо в дизелях имеют давнюю историю. Первые опыты с пылевидным углем были выполнены О. Дизелем в 1892 г. Работы этого направления продолжали в Германии до 1945 г. Они были прекращены из-за технических трудностей глубокой деминерализации угля, обеспечения полноты сжигания и большого износа двигателей. Исследования применения угольного топлива для двигателей были возобновлены в США в 1975 г. Работы последних лет [21—24] привели к достижениям как в технологии приготовления топливных суспензий с требуемыми для двигателей свойствами, так и в модернизации двигателей для сжигания в них угольного топлива вместо нефтяного. К настоящему времени созданы двигатели и технологии приготовления СУТ, которые делают рентабельным их коммерческое использование в условиях очень высоких цен на нефть.

Для приготовления моторного суспензионного топлива пригодны каменные и бурые угли с высоким содержанием летучих. Изучены моторные СУТ, созданые на основе воды, метанола и дизельного топлива. Водоугольные суспензии при прочих равных условиях оказались менее вязкими, чем другие, что обеспечивает им хорошее распыление в камере сгорания. Трудно добиться самовоспламенения ВУС. Приходится использовать запальные свечи, подсветку дизельным топливом и другие способы. Наиболее обнадеживающие результаты получены при использовании ВУС в адиабатическом двигателе, в котором подвод горячего воздуха в камеру сгорания компенсирует расход тепла на испарение воды, а высокая температура повышает скорость сгорания угля. Термический КПД двигателя такой же, как при работе на базовом дизельном топливе. Однако свойственная адиабатическому двигателю высокая температура, благоприятная для сгорания угольных частиц, приводит к неполному сгоранию жидких компонентов суспензии, полученной на основе метанола или дизельного топлива.

Содержание оксидов азота в продуктах сгорания ВУС оказалось примерно в 2 раза меньше, чем в продуктах сгорания дизельного топлива. Содержание оксидов серы полностью зависит от их концентрации в исходном угле, т. е. от степени его очистки от минеральных примесей, которая должна быть очень высокой. Содержание пыли в продуктах сгорания ВУС в несколько раз выше, чем в продуктах сжигания дизельного топлива. Необходима специальная очистка выхлопных газов, образующихся при сгорании угля.

В технологии приготовления ВУС (как и пылевидного угля) для двигателей внутреннего сгорания наиболее сложными и дорогостоящими операциями являются тонкое измельчение до частиц микронных размеров и глубокая деминерализация такой дисперсной массы. Для измельчения ВУС (а это наиболее практичная из угольных суспензий) используют мельницы различного типа. Экспериментально и теоретически показано, что для тонкого измельчения, в частности, угля, мельницы высокой энергонапряженности (вибрационные, аттриторы и другие) более экономичны, чем распространенные шаровые барабанные и трубные мельницы [18, 24, 25]. Деминерализация угля для приготовления моторного топлива производится в два этапа. Первый — это физико-химическое обогащение высокоэффективными методами — колонной флотацией или сепарацией в тяжелых средах. Их недостатками являются низкий выход целевого продукта и большие отходы угля. Второй этап — химическая деминерализация угля до зольности менее 2 % при низкой потере угля, однако его стоимость составляет основную долю затрат на производство угольного топлива для двигателей.

Успехи в применении угольных суспензий для ДВС весьма внушительны. В США фирма «Дженерал Электрик» осуществила проект перевода на ВУС среднеоборотного 12цилиндрового дизельного двигателя железнодорожного локомотива мощностью 1, 8 МВт. Проведены длительные (более 600 ч) ходовые испытания и получены его эксплуатационные характеристики. Для приготовления ВУС использован битуминозный уголь, измельченный до частиц размером 5...6 мкм. Степень деминерализации угля варьировали от 0, 7 до 2, 8 % по остаточной зольности. Система впрыска ВУС обеспечивала полноту сгорания угля не ниже 98 %. Измеренный термический КПД дизеля составил 0, 85 КПД двигателя, работающего на дизельном топливе. Создана система очистки и дезактивации выхлопа, эффективность которой по улавливанию твердых частиц равна 99, 5 %, по оксидам серы и азота — 90 %.

Фирмы «Зульцер» и «Купер-Бессемер» провели длительные испытания ВУС в стационарных дизельных двигателях мощностью 1, 4 и 1, 8 МВт. Испытаниями установлена перспективность использования ВУС в дизельных двигателях (при ценах 1997 г. на дизельное топливо и уголь).

Стоимость энергии (США), получаемой использованием ВУС в локомотиве, составляет до 3, 3 дол/ГДж, что значительно выше стоимости энергии сжигания сухого угля — 1, 25... 1, 8 дол/ГДж, но меньше стоимости энергии, получаемой применением дизельного топлива. Затраты на производство энергии в дизельном двигателе, работающем на водоугольном топливе, в настоящее время примерно такие же, как и при использовании мазута. В расчетах затрат (цены 1998 г.) учтены все расходы, включая очистку выбросов (табл. 2).

Таблица 2 - Затраты на производство энергии дизелем, работающем на угольном топливе (средненные данные)

Фирма «Аллисон Газ Турбайн» (отделение корпорации «Дженерал Моторс») произвела успешные испытания ВУС в промышленной газовой турбине мощностью 4, 0 МВт. Использована двухступенча