Воскресенье, 26.09.2021, 18:34
Приветствую Вас Гость

Д О Н Т О П Э Н Е Р Г О

Новости и информация об угле и угольной отрасли

Жидкий уголь - перспективы применения водоугольного топлива в Украине и мире

Большая часть проектов по возобновляемым и нетрадиционным источникам энергии в Украине, к сожалению, рассчитана на далекую перспективу. В практическом же плане, если ориентироваться на ближайшее будущее, нужно определить роль и место угольного топлива. Для Украины это может быть колоссальным дополнительным энергоресурсом. Однако экологические ограничения (особенно после ратификации Киотского протокола) требуют разработки и внедрения новых экологически чистых угольных технологий, обеспечивающих полноту использования топлива при максимально низкой вредной нагрузке на окружающую среду. Для угольной энергетики принципиально важен переход от прямого сжигания угля в топочных устройствах к приготовлению из углей различных качеств, в том числе и из отходов углеобогащения, водоугольного топлива (ВУТ).

Секреты ВУТ


Водоугольное топливо (ВУТ) представляет собой дисперсную смесь, состоящую из тонкоизмельченного угля, воды и реагента-пластификатора. Получают ВУТ из угля, углесодержащих отходов и угольных шламов (см. табл. 1).


Таблица 1. Состав ВУТ и температурные характеристики
Таблица 1. Состав ВУТ и температурные характеристики

ВУТ обладает всеми технологическими свойствами жидкого топлива: транспортируется в железнодорожных и автоцистернах, по трубопроводам, в танкерах и наливных судах; хранится в закрытых резервуарах; сохраняет свои свойства при длительном хранении и транспортировке; взрыво- и пожаробезопасно.

ВУТ имеет ряд характерных преимуществ.

1. Экологические: безопасно для окружающей среды на всех стадиях производства, транспортирования и использования; в 1,5-3,5 раза снижает вредные выбросы в атмосферу пыли, оксидов азота, бенз(а)пирена, двуокиси серы; обеспечивает эффективное использование образующейся при сжигании летучей золы.

2. Технологические: подобно жидкому топливу и при переводе теплогенерирующих установок на сжигание ВУТ не требует существенных изменений в конструкции котлов (агрегатов); возможно сжигание в топках для слоевого сжигания твердого топлива, в камерных топках для пылеугольного и жидкого топлива, при сжигании в кипящем слое; дает возможность легко механизировать и автоматизировать процессы приема, подачи и сжигания топлива; технология вихревого сжигания при температуре 950-10500 С гарантирует эффективность использования топлива свыше 97% (при слоевом сжигании угля данная величина не превышает 60%).

3. Экономические: снижает в 2-3 и более раз стоимость 1 т условного топлива (у.т.); на 15-30% сокращаются эксплуатационные затраты при хранении, транспортировке и сжигании; обеспечивает снижение в 3 раза капитальных затрат при переводе ТЭЦ и ГРЭС с сжигания природного газа и мазута на водоугольное топливо; окупаемость затрат при внедрении ВУТ составляет 1-2,5 года.

В табл. 2 приведена средняя себестоимость (по состоянию на 30.03.2002 г.) выработки 1 Гкал тепла в котельных Кемеровской области (Россия).

К истокам

Идея использования водо-угольных суспензий в качестве топлива зародилась еще в 50-х годах в Институте горючих ископаемых АН СССР. Поиски технологии их приготовления и использования диктовались обострением необходимости утилизации тонких угольных шламов, появившихся в больших количествах при интенсивном развитии гидродобычи и гидротранспорта угля, а также при обогащении углей мокрым способом. К решению проблемы были подключены ведущие научно-исследовательские угольные институты страны. Для исследования процессов приготовления и горения суспензий было построено несколько экспериментальных установок. Аналогичные работы проводились тогда в США, ФРГ и других странах.


Таблица 2. Средняя себестоимость выработки 1 Гкал тепла в котельных
Таблица 2. Средняя себестоимость выработки 1 Гкал тепла в котельных

Для конкуренции с высокоуглеродистыми видами топлива водоугольные суспензии не имели достаточно высокой доли угольных частиц и для эффективности сжигания требовали «подсветки» другим – высокореактивным – топливом. Кроме того, горелочные устройства с форсунками тонкого распыления суспензии по надежности уступали мазутным, также были технические недоработки в части вспомогательного оборудования.

Интерес к ВУТ возобновился в связи с мировым нефтяным кризисом в середине 70-х годов. Активизация исследований вызывалась необходимостью снижения зависимости крупных потребителей от нефтяных поставщиков.

Наибольшее количество научных организаций, производственных фирм и корпораций было привлечено к проблеме в 1979-1984 годах. Более 100 организаций в США, Швеции, Великобритании, Китае, Японии, Канаде, Италии и ряде других стран занимались изучением и внедрением водоугольного топлива. На их базе были созданы крупные международные корпорации Carbogel, Fluidgarbon (Швеция), Co-Al (США), Densecoal (ФРГ) и др. Им удалось создать многочисленные составы и технологии приготовления и использования водоугольных суспензий.


Тонкости получения ВУТ

Благодаря активной работе научно-исследовательских организаций мира в настоящее время известно много способов приготовления водоугольного топлива. Среди них – способы:
  • приготовления водоугольного топлива с дозированной подачей предварительно дробленого угля, воды и реагента – пластификатора на мокрое измельчение в шаровой мельнице;
  • с включением мокрого измельчения и классификацией угля, подачей воды и диспергаторов в мельницу, причем, процесс ведут с предварительной электрохимической обработкой воды;
  • получения жидкого топлива с измельчением твердого углеродсодержащего вещества (угля, кокса, полукокса, лигнита и др.) до 0,15-2,0 мм в присутствии воды и/или органической (углеводородной) жидкости с помощью дробящего материала (шаров и др.), который затем отделяется (измельчение и смешивание осуществляют с помощью механической мельницы, а полученное топливо используют в качестве дизельного или добавки к нему);
  • получения жидкого топлива из угля, включающий окисление угля водным раствором азотной кислоты, отделение жидкой фазы и растворение твердой;
  • смешивания с водой угольной пыли с размером частиц не более 20 мкм (полученное топливо используют для двигателей внутреннего сгорания);
  • приготовления водоугольного топлива благодаря мокрому измельчению угля с водой при нагреве гидросмеси до 200-3000 C токами высокой частоты под давлением 1,5-10 МПа и введении в гидросмесь поверхностно-активных добавок;
  • получения водоугольного топлива из бурых углей при сухом измельчении, дегазации и смешивании с водой и добавками в гомогенизаторе, причем, сухое измельчение угля ведут одновременно с его гидрофобизацией в струйной мельнице в инертной среде при 600-10000 C .
СПРАВКА

Около каждой крупной шахты, разреза или угольно-обогатительной фабрики, помимо курганов (холмы пустой породы, извлекаемой на поверхность вместе с углем), находятся еще и так называемые «хвосты» – громадные хранилища жидких отходов, образуемых при бурении горных пород с водой или промывочным раствором, а также при обогащении сырья. Эти отходы называют шламом. Средних размеров углеобогатительная фабрика или шахта ежедневно выдают 300-600 т шлама, который хранится в многочисленных шламоотстойниках или тех самых «хвостах».

Эти подходы достаточно трудоемки и имеют низкую производительность из-за трудностей с технологическими процессами химической обработки угля в связи с повышенными энергетическими затратами, сложностью оборудования, вследствие чего у получаемого ВУТ низкий энергетический потенциал и относительно высокая стоимость.

Наиболее перспективной на сегодняшний день считается технология приготовления, когда водоугольное топливо получают сухим измельчением предварительно подробленого до менее 3 мм исходного угля в роторно-вихревой мельнице до частиц размером менее 20 мкм. Сущность способа заключается в том, что рядовые угли составляют смесь мацералов и минералов в разных соотношениях. Минеральная часть угля представлена соединениями неорганических компонентов. Во всех углях содержится определенное количество минеральных веществ, которые тесно связаны с органической массой и механически не могут быть отделены от нее. Доля таких компонентов составляет 1,5-7%. Большая часть минералов, не связанных с угольным веществом, представляют собой агрегаты из нескольких либо сросшихся с углем минералов. При высокоскоростном ударном разрушении частиц в помольной камере роторно-вихревой мельницы происходит селективное раскрытие сросшихся частиц минералов и углей. Минеральные частицы с более высокой плотностью и твердостью по отношению к органической составляющей угля на выходе из помольной камеры имеют и большие, чем у переизмельченных частиц угля, размеры и под действием гравитационных сил подвергаются отделению от основного потока измельченных частиц. В результате этого процесса остаточная зольность водоугольного топлива не превышает 2-8 мас. %.

Для получения высококонцентрированного водоугольного топлива, особенно из влажных бурых углей, необходима гидрофобизация поверхности частиц. Кроме того, следует удалить не только воздух из пор, но и гигроскопическую влагу. При ультратонком (менее 20 мкм) высокоскоростном ударном измельчении частицы угля, проходя через помольную камеру роторно-вихревой мельницы, раскрывают свои поры и высушиваются до влажности менее 0,5%, что и обеспечивает необходимую гидрофобность поверхности частиц. В результате существенно уменьшается способность частиц к связыванию воды, а само водоугольное топливо имеет высокую концентрацию твердой фазы.

Дальнейшая обработка гидравлической смеси в диспергаторе способствует созданию коллоидной системы с твердыми частицами размером менее 5 мкм, в результате чего получается водоугольное топливо с улучшенными физико-механическими, структурно-реологическими, теплофизическими и экологическими свойствами для его длительного хранения, транспортировки и сжигания в энергетических установках, включая дизельные и газотурбинные.
Эффективная замена сжиганию «грязных углей»

На практике применение суспензионного угольного топлива делает реальной замену как «грязного» угля и малоэффективных методов его сжигания в слоевых топках, так и дефицитных жидких и газообразных видов топлива.

Особенно проблема заостряется в угольных регионах, где вокруг угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий в гидроотвалах и отстойниках скапливается большое количество добываемого угля в виде тонкодисперсных угольных шламов (см. рис.). Ее решают, как правило, весьма примитивным образом. Воды шахтного притока, технологические воды обогатительных фабрик с мелкими угольными частицами сбрасываются в поверхностные отстойники, которые периодически чистятся механо-гидравлическим способом; повторно добытые угольные шламы либо сбрасываются в отработанные выработки шахт, либо в ближайшие овраги и водоемы. В отдельных случаях отходы флотации обезвоживают и складируют на свободных площадях.

Перевод шламов в транспортабельное и технологически удобное суспензионное водоугольное топливо обеспечит существенный экономический эффект и резко улучшит экологическую обстановку в регионах. При этом, получаемое топливо и технологии его использования должны отвечать жестким требованиям современного рынка: экономическая конкурентоспособность и минимально возможное опасное экологическое воздействие на окружающую среду при его получении и использовании. Учитывая, что в себестоимости вырабатываемой тепловой энергии топливная составляющая в границах от 40 до 70%, снижение стоимости топлива или его удельного расхода становится важным фактором экономического эффекта.

Стратегические цели при внедрении суспензионного угольного топлива определяются: минимизацией затрат на реконструкцию существующих систем теплоэнергетики; увеличением экономической и экологической эффективности систем теплоэнергетики и созданием экономической мотивации для отказа от использования топочного мазута, природного газа и угля со слоевым сжиганием; повышением надежности и гарантированной работоспособности систем теплоэнергетики; усилением энергобезопасности конечных потребителей.

Противоречивые выводы


Судя по отзывам специалистов, продвигающих ВУТ, это один из важнейших энергоносителей будущего. Главные его достоинства – дешевизна и экологичность. Стоимость ВУТ, готового для прямого использования, в пересчете на 1 т у.т. ниже стоимости мазута в 2-4 раза и не превышает 15-20% от цены исходного угля на месте его добычи (см. табл. 2). Низкая стоимость 1 Гкал объясняется тем, что жидкое угольное топливо можно изготовлять из шламов: отходы угольного производства дешевле, чем сам бурый или каменный уголь.

К тому же, ВУТ пожаро- и взрывобезопасно. Технологии его хранения и транспортировки просты и могут быть полностью автоматизированы, перекачку можно осуществлять по трубопроводам аналогично нефти. В отличие от мазутных цистерн емкости, в которых зимой транспортируется ВУТ, легко очищаются от остатков топлива. Кроме того, перевод котельных на ВУТ обычно занимает не более семи месяцев, а при постановке необходимого для этого оборудования на поток этот срок сократится вдвое. Экономия на выработке тепловой и электрической энергии поможет окупить затраты на реконструкцию котельной из трех-четырех котлов за 2,5-3 года.

При замене угля на ВУТ можно снизить выбросы в атмосферу твердых частиц в 2,5-3, оксидов азота – в 1,5-2, а оксидов серы – в 2-2,5 раза. Полнота сгорания этого топлива – не ниже 95%. После сжигания ВУТ остается порошок в виде конгломератов белого или серого цвета, состоящих, в основном, из несгораемых минеральных частиц. Естественно, столь низкий процент отходов упрощает решение сложной задачи улавливания летучей золы. Здесь уместно отметить, что экологическая небезопасность применяемых сейчас промышленных технологий сжигания угля – один из основных доводов противников более широкого внедрения этого топлива в энергетике.

Переработка шламов в ВУТ обеспечит решение и некоторых других проблем отраслей угледобычи и ЖКХ. Рекультивация земель, занятых отвалами и отстойниками, улучшит экологическую обстановку на угольных шахтах и разрезах, а перевод котельных на автоматизированные процессы сжигания ВУТ исключит тяжелый ручной труд кочегаров.

Однако не все специалисты превозносят ВУТ. Некоторые разработчики технологий ВУТ считают, что использование данного топлива бесперспективно. Суспензия содержит не менее 40% воды, на испарение которой нужно затратить энергию. А еще больших затрат энергии требует процесс получения самой суспензии. Чтобы смолоть 1 т сухого угля, пригодного для использования ТЭЦ, необходимо затратить 15-20 кВт/ч, аналогичные энергозатраты в процессе приготовления суспензии, предназначенной для транспортировки по трубам, могут превосходить 100 кВт/ч на т. Наконец, при измельчении жидких смесей износ оборудования и, следовательно, затраты на его амортизацию в разы выше, чем при сухом помоле. Вот основные аргументы скептиков.

Не следует также забывать, что создание протяженной трубопроводной инфраструктуры весьма капиталоемко, осуществить его энергетики, страдающие от износа основных фондов, самостоятельно вряд ли смогут. Да и на переоборудование электростанций на ВУТ средств у них сегодня нет.

Правда, разработчики ВУТ пока не пытаются «пристроить» свои технологии в «большой» энергетике. Надежды они связывают, в первую очередь, с предприятиями ЖКХ в регионах, где ведется добыча местного угля, а теплоэнергетика использует привозное топливо.

Мировой опыт

Несмотря на противоречивые мнения вопрос об использовании ВУТ в мировой практике не теряет своей актуальности. Работы по совершенствованию и внедрению инноваций не прекращаются в Японии, Италии, США, Канаде и других странах. В США реализуется программа использования угля в промышленной и бытовой энергетике («Чистый уголь») с общим объемом финансирования в $6 млрд. на ближайшие 6-10 лет. Около 20% от этой суммы направляется на решение проблем, связанных с транспортировкой водоугольного топлива. По данным американских источников, его широкое внедрение сдерживается относительно высокой стоимостью углеобогащения и противодействием прокладке магистральных углепроводов со стороны железнодорожных компаний и Конгресса США. При росте цен на нефть и снятии ограничений на строительство углепроводов прогнозируется начало интенсивного применения водоугольного топлива в разных областях промышленности.

Недостаток собственных месторождений нефти и природного газа в Китае вынуждает страну ориентировать развитие своей энергетики на угольное топливо. В то же время, ужесточающиеся требования к охране окружающей среды усложняют правила его использования. В мегаполисах КНР запрещены строительство и эксплуатация котельных, работающих на твердом угле. Государственной программой правительства Китая предусмотрен поэтапный перевод предприятий с нефтегазового на водоугольное топливо. Это обеспечит сокращение импорта нефти более чем на 70 млн. т, мазута – на 20 млн. т в год, что уменьшит зависимость топливно-энергетического комплекса страны от внешнего рынка.

Сегодня сферой ВУТ в Китае занимаются три научно-исследовательских центра, шесть заводов по производству ВУТ, на котельных и электростанциях, сжигающих ВУТ, производится до 2 млн. кВт энергии. Для технического руководства по внедрению водоугольного топлива в стране создан Государственный центр водоугольных суспензий угольной промышленности. Потребителями стали ТЭЦ, ранее работавшие на мазуте. Используются водоугольные суспензии также предприятиями химической, металлургической, целлюлозно-бумажной и других отраслей. В ближайшие 20 лет планируется довести мощности по их производству до 100 млн. т в год. Намечено строительство крупного завода по производству ВУТ, который утроит его поставки. Доставка потребителям осуществляется в железнодорожных цистернах.

Итоги

В Украине же возможности строительства фабрики по приготовлению ВУТ пока только изучаются. Не так давно на базе шахты «Довжанская-Капитальная» был апробирован пилотный проект по приготовлению ВУТ. По оценкам Минуглепрома Украины, внедрение новой технологии поможет предприятию ежегодно сэкономить до 10 млн. м3 природного газа.

К сожалению, использование водоугольного топлива пока не нашло себе места в большой энергетике, несмотря на то что затраты на производство 1 МВт/ч электроэнергии с использованием такого топлива при транспортировке его углепроводами ниже расходов, чем при пылевидном сжигании угля, доставленного железнодорожным транспортом (особенно на дальние расстояния: при дальности в 100 км – до 12%, на 1000 км –22-32 %, 4000 км – 47-65%). Дело в том, что использование ВУТ вместо прямого сжигания угля, газа и мазута требует крупных первоначальных капиталовложений, особенно на первом этапе его промышленного использования.
Поиск по сайту
Календарь новостей
«  Сентябрь 2021  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
  12345
6789101112
13141516171819
20212223242526
27282930
Архив новостей
Наш опрос
Какой уголь Вы считаете наиболее востребованным в Украине
Всего ответов: 484
Статистика
Copyright Dontopenergo © 2021