Водоугольные суспензии в энергетике
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)
| Статья затрат | Затраты | |
| Цент/(кВт*ч) | % | |
| Капитальные вложения | 1, 21 | 18, 5 |
| Эксплуатация и ремонт | 0, 52 | 8, 0 |
| Уголь с транспортом | 1, 31 | 20, 0 |
| Производство ВУС | 2, 20 | 33, 7 |
| Очистка выбросов | 1, 03 | 15, 7 |
| Транспортирование топлива | 0, 27 | 4, 1 |
| Итого | 6, 54 | 100 |
| Из них: | ||
| топливо | 3, 78 | 57, 8 |
| двигатель | 2, 67 | 42, 2 |
Фирма «Аллисон Газ Турбайн» (отделение корпорации «Дженерал Моторс») произвела успешные испытания ВУС в промышленной газовой турбине мощностью 4, 0 МВт. Использована двухступенчатая схема сжигания. На первой из них применена установка газификации ВУС с очисткой генераторного газа от пыли и вредных примесей. Использована ВУС с содержанием угля 50 %, зольность которого варьировали от 0, 8 до 5, 6 %. Проектная степень очистки генераторного газа составляет 99, 9 % с длительностью рабочего цикла до регенерации фильтров 370 ч. Полнота сгорания топлива в контуре газификации — не менее 96 %. Такая система обеспечивает долговечность работы турбины и ее экологическую безопасность. Аналогичные работы с близкими результатами выполнены фирмами «Амакс» и «Оттиска». Рассчитанная стоимость энергии сжигания угольного топлива в газовых турбинах 3, 0...3, 2 дол/ГДж, что практически совпадает со стоимостью энергии сжигания угольного топлива в дизеле. Экономическую эффективность угольного топлива повышают совершенствованием способов тонкого измельчения и деминерализации угля, а также модернизацией двигателей.
По различным оценкам, удельные расходы на деминерализацию составляют 1, 57...2, 85 дол/ГДж, суммарные удельные затраты на производство энергии с использованием угольного топлива в дизелях и турбинах — 6, 40...6, 85 цента/(кВт*ч). Удельная стоимость производства энергии сжиганием в двигателях нефтетоплива составляет в сопоставимых по времени ценах 3...5 центов/(кВт*ч). В этих расчетных данных учтены прибыль (10%) и амортизационные отчисления (12%).
Резервы снижения затрат на производство энергии с использованием суспензий в двигателях внутреннего сгорания состоят в совершенствовании технологии тонкого измельчения и глубокой деминерализации угля в сочетании с коммерческим использованием продуктов выщелачивания минералов, а также в реконструкции двигателей. По известным данным, использование новейших технологий в этой области делает суспензионное топливо конкурентоспособным с нефтяным (табл. 3). По предварительным подсчетам разработанная авторами механохимическая технология деминерализации до зольности менее 2 % (в сравнительных условных энергоединицах) выгоднее других. К тому же она практически безотходна и экологически безопасна.
Таблица 3 - Относительные затраты, кг/т продукта, на приготовление СУТ из угля, деминерализованного до остаточной зольности 2%
| Вид затрат | Колонная флотация | Маслянная агломерация | Выщелачивание | |
| Автоклавное | Механохимическое | |||
| Измельчение | 159 | 159 | 159 | 159 |
| Износ мельниц | 250 | 250 | 250 | 250 |
| Деминерализация | 500 | 500 | 1000 | 714 |
| Капитальные | 1000 | 1500 | 2000 | 1000 |
| Суммарные | 3273 | 3318 | 3483 | 2172 |
| Относительные | 1 | 1, 01 | 1, 06 | 0, 66 |
ВОДОУГОЛЬНЫЕ СУСПЕНЗИИ ДЛЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ И АГРЕГАТОВ С КОМБИНИРОВАННЫМ ПАРОГАЗОВЫМ ЦИКЛОМ
Определены два направления использования суспензий высокой степени очистки и дисперсности в генераторах энергии. Первое из них — прямое сжигание в виде суспензий (рассмотрено ранее), второе — предварительная газификация суспензии с последующим сжиганием генераторного газа в газовых турбинах и реализация избыточной тепловой энергии газогенератора в виде перегретого пара в паровой турбине. Это направление получило развитие в энергоустановках комбинированного парогазового цикла. Перспективность использования ВУС в газогенераторах сводится к возможности подавать суспензию в реактор насосами высокого давления. Это делает процесс загрузки газогенераторов непрерывным и избавляет их от сложных в эксплуатации на сухом топливе шлюзовых камер, затворов и питателей, обеспечивающих их работу в периодическом режиме при высоких давлении и температуре. Часть входящей в ВУС воды (примерно половина) в газогенераторах полезно расходуется на образование водорода и оксида углерода в результате диссоциации при высоких температуре и давлении. Воду (15 % массы угля) подают и в обычные газогенераторы, работающие на угле влажностью 10...15%. Такое использование содержащейся в ВУС воды исключает затраты энергии на ее испарение при прямом сжигании суспензий.
Предварительная газификация угля и других энергоносителей с последующим использованием горючего газа в газовых турбинах (и дизелях) и перегретого пара в паровых турбинах в настоящее время считается наиболее прогрессивной и перспективной технологией в энергетике. В газогенераторных установках значительно меньше, чем в двигателях, трущихся деталей, износ которых оказывает существенное влияние на их работоспособность. Высокие температура и давление обеспечивают полноту конверсии топлива в горючий газ. Очистка этого газа от пыли и оксидов серы и азота намного дешевле очистки продуктов сгорания, поскольку масса генераторного газа в 9... 12 раз меньше массы продуктов сгорания и, соответственно, концентрация подлежащих удалению вредных примесей во столько же раз выше. К тому же газ очищают при давлении 1, 0... 1, 5 МПа. Следовательно, объем газа примерно в 100 раз меньше объема подлежащих очистке продуктов сгорания топлива при атмосферном давлении. Сжигание горючего газа практически не требует модернизации оборудования и исключает дополнительный износ рабочих деталей энергоустановок под воздействием твердого топлива. Поскольку перегретый пар газогенераторов с комбинированным циклом работы используют в паровых турбинах, мощность которых составляет примерно половину мощности газовых, в таких энергоустановках обеспечивается наиболее полная и рациональная утилизация энергии сжигаемого угля. Требования к его дисперсности и степени обогащения, к вязкости и стабильности суспензий самые умеренные (см. табл. 1).
В США, Голландии, Германии, Испании и Италии построены агрегаты с комбинированным парогазовым циклом мощностью 60...300 МВт. Две ТЭС в США (в штатах Индиана и Флорида) рассчитаны на использование ВУС. Мощность газовой турбины ТЭС в Индиане составляет 191, паровой — ПО МВт; во Флориде мощность газовой турбины 192, паровой — 130 МВт. Рассчитанный и измеренный КПД равен 42 %, тогда как у ТЭС обычного типа 35 %.
ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКАЯ ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУСПЕНЗИОННОГО УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА
из-за низких цен на нефть в конце прошлого века практическое осуществление большинства проектов по суспензионному топливу оказалось отложенным на неопределенное время. При уровне цен на нефть 1999 г. (примерно 8...9 вместо прежних 18...25 дол. за 1 баррель) применение водоугольных суспензий вместо мазута было явно невыгодным даже при самых низких (из возможных) ценах на уголь.
Суспензионное угольное топливо, в котором дисперсионной средой являются нефтепродукты, спирты или (как правило) вода (ВУС), считали перспективным для энергетики, когда цена на нефть выше (как в настоящее время) 25...30 дол. за 1 баррель. Полагали, что угольные технологии в значительной мере будут определять верхнюю планку цен на нефть. С их развитием связывали также надежды на решение экологических проблем энергоснабжения, которые стали особенно актуальными в связи с авариями на атомных электростанциях и с нефтяным загрязнением природы.
Первые, а за ними и многие последующие программы по созданию технологий приготовления и использования СУТ были реализованы. Результаты обширного объема выполненных в этой области исследований и технологических разработок доложены на ежегодных международных конференциях по угольным технологиям, которые были созваны под эгидой и на средства Министерства энергетики США во Флориде (в 2005 г. — 29-я). Опубликованные (до 2000 г.) труды этих конференций содержат ценные сведения по обсуждаемой тематике. Известны и другие солидные публикации по СУТ в американских, российских, китайских, японских и других изданиях, в которых изложены результаты исследований, проектных и технологических разработок.
В период «водотопливного» бума правительства солидные фирмы некоторых промышленных стран выделяли значительные субсидии на обширные программы, в которых были предусмотрены исследования, экономический и экологический анализы суспензионной топлива. В научно-исследовательских центрах, принадлежащих государственным и частным компаниям, перед исследователями и технологами поставили задачу создания промышленных технологий получения СУТ которые по экономическим и экологическим параметрам не уступали бы нефтепродуктам. Промышленно развитые страны ставили своей целью избежать в дальнейшем зависимости их экономики от политических ситуаций в нефтедобывающих регионах (государства Персидского залива и др.). Априори полагали, что суспензионное топливо без больших затрат на модернизацию оборудования можно будет использовать по технологии сжигания жидкого топлива. В 80-е и последующие годы созданы технологии приготовления и сжигания угольных суспензий. Исследования и опытнопромышленные испытания процессов приготовления и транспортирования угольных суспензий по трубам (как жидкого топлива) в большом объеме и полноте были выполнены и в России.
После 2000 г. тематика по СУТ в публикациях неуклонно сокращалась и в настоящее время практически полностью иссякла. Обусловлено это, вопервых, тем, что технические проблемы создания и использования СУТ были решены, вовторых, тем, что этот вид топлива вопреки первоначальным ожиданиям оказался экономически неэффективным даже при очень высоких ценах на нефть. Промышленные страны пошли по пути реализации технологий использования возобновляемых энергоносителей. Нынешние очень высокие цены на нефть и газ не вызвали, как можно было ожидать, возобновления интереса к угольным суспензиям. Это, однако, не означает, что разработки по тематике угольных суспензий не будут востребованы в дальнейшем.
В заключение следует сказать, что статья содержит сведения, основанные на анализе и сопоставлении многочисленных публикаций, полный список которых слишком обширен, и потому здесь приведены ссылки только на издания, наиболее специализированные по данной проблеме. В них приведены технологии получения высоконаполненных низковязких суспензий из российских углей и технологии деминерализации углей до зольности менее 1 % с минимальными потерями. Обобщен опыт транспортирования суспензий по трубам на дальние расстояния, выяснены причины неудачи этой технологии и способы их устранения, разработаны наиболее экономичные промышленные проекты приготовления ВУТ [5, 6, 8, 9, 11—13, 24—30].
1Статья публикуется в порядке обсуждения. (Прим. ред.).
2119071, Москва, Ленинский просп., д. 29 ФГУП ИГИ.
3При зольности угля 10...12% и более.
4Отчет об опытно-промышленном испытании ВУТ на Новосибирской ТЭЦ-5
Список литературы
В.Ф. Кусов, Топливные суспензии. Л.: АН, 1942
В.М. Иванов, Б.В. Канторович, Топливные эмульсии и суспензии. М.: Металлургия, 1963
И.М. Эвентов, В.В. Назаров, Эмульсионные машины и установки. Л.: Машиностроение. 1964
С.Г. Аронов, М.Г. Скляр, Ю.Б. Тютюнников, Комплексная химико-технологичесская переработка углей. Киев: Техника, 1968.
В.Е. Зайденварг, К.Н. Трубецкой, В.И. Мурко, И.Х. Нехороший, Производство и использование водоугольного топлива. М.: Изд-во Академии горных наук, 2001
Н.Ф. Зубкова, А.А. Каблучков, Ю.А. Толасов, Г.С. Ходаков, Методы регулирования структурно-реологических свойств и коррозионной активности выскоконцентрированных дисперсных систем // Тр. НПО «Гидротрубопровод». М.: Нефтегазстройинформ, 1987. с. 94-100
А.С. Кондратьев, В.М. Овсянников, Е.П. Олофинский и др., Транспортирование водоугольных суспензий М.: Недра, 1988.
The statisstical analysis of the pilot commercial operational results of the power generation and delivery Complex Belovo-Novosibirsk. Proc, G.S. Khodakov // 19th Intern. Conf. on Coal Utilization and Fuel Systems. USA. Florida. 1994. P. 863-866.
E.P. Olofinsky, G.S. Khodakov, Optimizing the Dispersion Process of Coal-Water Slurries // Proc. of the 14th International Conference on Coal and Slurry Technologies, USA, Florida. 1989. P. 247-260.
D. Erkolani, U.Tiberio, Start-up and initial operating experience of Porto Tores integrated plant for production and utilization of beneficiated coal-water fuels // Proc. 19th Intern. Conf. on Coal Utilization and Fuel Systems. USA, Florida. 1994. P. 5-6.
Г.С. Ходаков, Водоугольные суспензии // Энергетика. 2000. № 2. С. 104-119
Ю.А. Толасов, Г.С. Ходаков, Особенности получения водоугольного топлива в барабанных мельницах // Технология приготовления и физико-химические свойства водоугольной суспензии // М.: Нефтегазстройинформ, 1991. С. 97-110. (Тр. НПО «Гидротрубопровод»).
Н.И. Редькина, Г.С. Ходаков. Физико-химическая трактовка реологических свойств концентрированных суспензий // Технология приготовления и физико-химические свойства водоугольного топлива: // М.: Нефтегазстройинформ, 1991. С. 62-77. (Тр. НПО «Гидротрубопровод»).
Even Bakke, Coal utilization: Maintaining environmental integrity into 21 st. Century.// Proc. 19th Intern. Conf. on Coal Utilization and fuel Systems. USA, Florida, 1994. P. 267-270.
H.I. Brollick, Innovative transport modes coal slurry pipelines // Proc. 15th Intern. Conf on Coal and Slurry Technologies. USA, Florida, 1990. P. 3-10
Y. Ishibashi, N. Abe, Y. Kondo, M. Gohta, Operating experiences of large scale CWM production and transportation // Proc. 19th Intern. Conf. on Coal Utilization and Fuel Systems. USA, Florida, 1994. P. 21-27.
Y. Takashi, Development and scale-up of CWM preparation process // Proc. 20th Intern. Conf. on Coal Utilization and Fuel Systems, USA, Florida, 1994. P. 305.
Г.С. Ходаков, Физика измельчения. М.: Наука, 1972
Г.С. Ходаков, Физико-химическая механика технологических процессов // Российский химический журнал. 2000. №3. С.93-108.
Т.М. Хренкова, Механохимическая активация углей // М.: Недра, 1993
А. Рао, Р. Уилсон, М. Макмиллан, А. Кимберли // Современное машиностроение. Сер. А. 1990. №1. С. 163-173.
Chen Tiefend, Mei Cai, Jyang Long, Combustion properties of CWM // Proc. 6thIntern. Conf. on Coal and Slurry Combustion and Technology. Orlando USA, 1984. P. 313-319.
E. Crippa, 50000HP 12 cylinder coal slurry diesel engine // Proc. 15th Intern. Conf. on Coal and Slurry Technologies. USA, Florida, 1990. P. 821-829
Ю.А. Толасов, В.С. Золотухин, Г.С. Ходаков, Технологические схемы приготовления водоугольного топлива // Технология приготовления и физико-химические свойства водоугольной суспензии // М: Нефтегазстройинформ, 1991. С. 78-97. (Тр. НПО «Гидротрубопровод»).
Г.С. Ходаков, Физико-химическая механика измельчения твердых тел // Коллоидный журнал. 1998. № 5. С. 684-697
G.N. Deljagin, Combustion behavior of coal-water slurry in air stream // Proc. 15th Intern. Conf. on Coal and Slurry Technologies. USA, Florida, 1990. P. 81-92.
G.N. Deljagin, Combustion of natural coal particle and coal-water suspension droplet // Proc. 15th Intern. Conf. on Coal and Slurry Technologies. USA, Florida, 1990. P. 105-118.
Г.С. Ходаков, Статистический анализ результатов испытаний углепроводоа Белово-Новосибирск // Технология приготовления и физико-химические свойства водоугольной суспензии // М: Нефтегазстройинформ, 1991. С. 110-116. (Тр. НПО «Гидротрубопровод»).
А.С. Кондратьев, Н.А. Столяров, О динамической нестабильности статически устойчивых высококонцентрированных суспензий // Технология приготовления и физико-химические свойства водоугольных суспензий // М.: Нефтегазстройинформ, 1991. С. 7-15. (Тр. НПО «Гидротрубопровод»).
Г.С. Ходаков, К реологии суспензий // Теоретические основы химической технологии. 2004. Т. 38. № 4. С. 456-466.