Искусственное композиционное жидкое топливо из угля и эффективность его использования

Доклад на научно-практической конференции.

«Перспективные энергосберегающие технологии и способы сжигания твердого топлива в котлах малой и средней мощности»,.

15−18 ноября 2005, г. Кемерово. Материалы предоставлены ГУ «Кузбасский центр энергосбережения».

Искусственное композиционное жидкое топливо из угля и эффективность его использования Овчинников Ю. В. д.т.н., Луценко С. В., инженер, Новосибирский государственный технический университет На грани 70 — 80 г. г. прошлого столетия мировой энергетический кризис приобрел перманентный характер, что связано с окончанием эры «дешевой нефти». К 2000 г. было израсходовано:

• — 87% мировых запасов нефти;
• — 73% мировых запасов природного газа;
• — 2% мировых запасов угля.

Это касается энергетических ресурсов, доступных для современных технологий их извлечения. Одновременно началась интенсивная разработка технологий, позволяющих использовать альтернативные источники энергии: солнечную энергию, энергию морских приливов, ветра и т. п. Однако, несмотря на значительный прогресс в этой области в последнее время, реально на ближайшие 30 — 40 лет, по оценкам экспертов, основным энергетическим ресурсом остается уголь. В связи с этим США провозгласили в конце 90-х годов возврат к «эре угля», в настоящее время не менее 75% электростанций США переведено на это топливо. Вместе с тем переход к «эре угля» на основе технологии его использования 50 ч 60 г. г. прошлого столетия невозможен по ряду причин: технологических, экологических, экономических и т. п.

Среди новых угольных технологий большой интерес представляет технология водоугольного топлива (ВУС, ВУТ, ИКЖТ), которая возникла с появлением в 50 ч 60 гг. прошлого столетия гидротранспорта угля. Необходимость сжигания обводненной угольной мелочи привела к разработке т.н. водоугольных суспензий (ВУС) и методов их сжигания. Дальнейшее совершенствование технологии (улучшения реологических характеристик ВУС и его стабильности путем использования результатов исследований в области углехимии и разработка присадок) привело к созданию водоугольного топлива (ВУТ).

Наиболее интенсивно разработка технологии ВУТ проводилась в Японии и Китае. Это иллюстрирует рис. 1 [1].

Рис. 1. Производство (итоговое) ВУТ в различных странах в период с 1983 г. по 1995 г. (тыс. тонн).

Основными аппаратами по переработке водо-угольной смеси в традиционных технологиях производства являются шаровые или стержневые мельницы мокрого помола. Принципиальная схема производства ВУТ по традиционной технологии приведена на рис. 2.

Основными недостатками таких технологий является высокая металло-и энергозатратная составляющая. Так, для традиционных технологий энергозатраты составляют [2]:

• — предприятие по производству ВУТ компании Yanri CWM Ltd (Китай), 248,18 кВтч/т продукции;
• — ОПУ «Белово — Новосибирск», Россия — 192 кВтч/т продукции;
• — исследовательский центр по угледобыче (Япония) — 86,12 кВтч/т продукции.

Основная причина высоких удельных расходов энергии — низкий (менее 1%) энергетический к.п.д. ШБМ мокрого помола. Стержневые мельницы мокрого помола имеют несколько лучшие энергетические показатели, но и при использовании этих мельниц удельные расходы электроэнергии высоки.

Анализ требований рынка продаж ВУТ, особенно международного, показал, что основным недостатком этого топлива является его низкая устойчивость (стабильность), не превышающая в большинстве случаев 1 — 2 месяцев. Анализ низкой устойчивости ВУТ в свою очередь показал, что причиной этого является недостаточная прочность системы «жидкость — твердая фаза», которая образуется в процессе переработки исходных материалов по традиционной технологии. Для укрепления системы необходимо было повысить активность (реакционную способность) как твердой, так и жидкой фазы.

Для активизации компонентов были применены современные методы переработки минерального сырья в аппаратах, использующих новые физические процессы. В результате было получено топливо с повышенной реакционной способностью, пригодное к хранению без разрушения физико-химической системы более года. Мы назвали это искусственное композитное жидкое топливо — ИКЖТ [3].

Технологическая линия, скомпонованная в соответствии со способом производства ИКЖТ, показана на рис. 3.

Рис 3. Схема технологической линии производства ИКЖТ: 1 — угольный бункер; 2 — питатель-дозатор; 3 — дробилка;4 — диспергатор; 5 — миксер; 6 — кавитатор; 7 — буферный бак;8 — бак готового ИКЖТ, А — уголь, В — вода, С — технологические добавки. 8 — бак готового ИКЖТ.

Уголь, А из бункера 1 питателем-дозатором 2 подается в дробилку первичного измельчения 3. Первично измельчённый до фракции 2 мм уголь поступает в диспергатор ультратонкого измельчения 4, в котором размалывается до состояния порошка со средним размером частиц 30 мкм. В миксере 5 угольный порошок активно смешивается с водой В и технологическими добавками С, амелиорирующими свойства ИКЖТ. Смесь из миксера поступает в кавитатор 6, в котором производится доработка топливной композиции. При этом образуется значительная ультрадисперсная фракция (5…10 мкм) угольного компонента, а также происходят изменения в жидкой фазе. При необходимости, в зависимости от марки исходного угля, обработка топлива может производиться в циклическом режиме с использованием буферного бака 7, поскольку производительность кавитатора 6 выше производительности диспергатора 4.

Готовое топливо ИКЖТ поступает в бак 8.

Схема предлагаемой технологической установки линейная, что очень удобно с точки зрения автоматизации технологического процесса. Вместе с тем эта схема позволяет достаточно гибко организовать производство ИКЖТ и, в зависимости от исходных компонентов, получать топливо со следующими характеристиками:

• — высокой калорийностью (до 6000 ккал/кг);
• — низкой зольностью (1 ч 1,5%);
• — удовлетворительной текучестью (900 ч1000 спз в диапазоне температур 20 ч 70^оС);
• — высокой стабильностью (сохраняет структуру при хранении в продолжение не менее 1 года и при транспортировке автомобильным транспортом на расстояния не менее 500 км).

При совокупности этих качеств ИКЖТ способно замещать мазут в топливопотребляющих энергетических установках практически без переделки систем топливоснабжения.

Высокая калорийность ИКЖТ достигается при применении качественных обогащенных углей, отмытых во флотационных машинах от глинистых минеральных примесей, со сниженным содержанием золы до 2 ч3% в твердой фазе и при высокой концентрации угольного компонента до 70 ч 75%.

Стабильность топливной системы является показателем изменения с течением времени разных характеристик в процессе транспортировки или стационарного хранения. Являясь важной товарной характеристикой, стабильность ИКЖТ может и не иметь особого значения при использовании топлива немедленно (несколько суток) после его получения.

Повышение устойчивости ВУТ может быть достигнуто различными способами:

• — введением в ВУС добавок, создающих «пространственное затруднение» к коагуляции частиц или создающих электростатический барьер между частицами твердой фазы [1];
• — образованием в ВУС ультрадисперсной фазы (с размерами частиц менее 1 мкм) и бимодальным распределением твердых частиц в системе [4].

Мы предложили еще один метод: не исключая вышеназванные способы повышенной устойчивости, можно проводить механохимическую активацию как твердой, так и жидкой фазы. Активизация достигается последовательной обработкой компонентов в дезинтеграторах и кавитаторах [5, 6].

Исследование этих процессов изложено в работе [7].

Согласно нашим данным, энергопотребление в дезинтеграторах при помоле углей составляет ?10 кВтч/т. Теоретические и экспериментальные данные по размолу в дезинтеграторах кварцевого песка приводит И. А. Хинт в своей монографии [8]. Эти данные для различных дезинтеграторов колеблются от 1 до 9 кВтч/т. Таким образом, дезинтегратор менее энергоемкая машина по сравнению с другими методами помола минерального сырья.

Очень важной характеристикой скоростного ударного помола является активация частиц угля в процессе помола, что объясняется аккумулированием частицами некоторого количества энергии ударного воздействия в дезинтеграторе. Общая аккумулированная энергия зависит от условий измельчения: интенсивности подвода энергии, свойств вещества, длительности процесса и составляет 10 ч 15%, однако в самых оптимальных условиях она не превышает 25 ч 30% от подведенной энергии [9].

С точки зрения химии дефектных кристаллов твердое тело, содержащее по сравнению с равновесным повышенное количество дефектов, имеет более высокую реакционную способность.

В исследованиях немецких ученых показано, что работа диспергирования возрастает с уменьшением размеров частиц. Это объясняется тем, что по мере уменьшения размеров частиц снижается их дефектность и совершается переход от хрупкого разрушения к вязкому, при этом наблюдается своеобразное равновесие: разрушение — агрегирование с преобладанием пластичного течения.

На основании этой теории были установлены нижние пределы частиц, которые могут быть получены при сухом размоле, в частности, бурого угля (23 ч 35 мкм), каменного угля (20 ч 30 мкм). Мы при двухкратном помоле в дезинтеграторе получили для каменного угля марки Д практически те же значения.

Получение в ИКЖТ значительной фракции ультрадисперсных частиц должно быть выполнено мокрым способом в кавитаторе.

Обработка в кавитаторе является не только способом получения вещества в мелкодисперсном состоянии, но и способом генерации различного рода структурных дефектов в объеме и активных состояний на поверхности дисперсных частиц, повышающих их реакционную способность.

При обработке водоугольной суспензии в кавитаторе можно выделить три периода, отличающихся характером изменения физико-химических параметров ВУС и свойствами дисперсной фазы [10]:

• — кавитационное разрушение, гомогенизация и первичное диспергирование дисперсной фазы (продолжительность 5 ч10 мин.);
• — основная фаза диспергирования: активация поверхностных физико-химических свойств дисперсной фазы, увеличение выхода ультрадисперсной фазы и соответственно увеличение объема осадка ВУС, возрастание структурно-механического барьера, седиментационной устойчивости ВУС (продолжительность 20 ч30 мин.);
• — уменьшение агрегативной и седиментационной устойчивости ВУС при достижении критического значения степени диспергирования и концентрации мелкодисперсной фазы (продолжительность 10 ч 20 мин.).

Кавитационное воздействие на жидкую фазу (воду) приводит к изменению ее физических характеристик, и эти изменения сохраняются достаточно долго. Наблюдается деструкция несущей фазы в результате кавитационного воздействия и вызванные им механические реакции [10]:

Возбужденная молекула воды наряду с излучением и диссипацией избыточной энергии в тепло может диссоциировать в соответствии с реакциями (*). Термолиз воды приводит к синтезу Н₂О₂ и способствует понижению рН.

Полученные результаты [7] подтверждают вывод о кавитационном механизме возбуждения реакций (*) и о достижении метастабильных активированных состояний ИКЖТ. Экспериментально подтверждено появление в межфазной среде активных молекул H₂O₂ и O₃.

Таким образом, продолжительность кавитационной обработки ИКЖТ не должна выходить за пределы второго периода (? 40 мин.), в этом случае мы получаем активированную дисперсную фазу и активированную междисперсную среду, что способствует проявлению эффекта электростатического отталкивания и структурно-механического барьера и устойчивой стабилизации ИКЖТ. Активированное жидкое композитное топливо обладает повышенной реакционной способностью.

Обработка ИКЖТ в кавитационных аппаратных весьма эффективна. Они обладают малой металлоемкостью, высокой производительностью и низким энергопотреблением (?5 кВтч/т).

Эффективность от применения ИКЖТ возрастает при использовании маслосодержащей или загрязненной другими нефтепродуктами воды. Экономия топлива происходит за счет увеличения полноты сгорания, эксплуатации форсунок с минимальным избытком воздуха и снижения температуры уходящих газов.

Увеличение реакционной способности активированного искусственного квазижидкого топлива не снижает преимуществ водо-угольного топлива, таких как:

• — уменьшения токсичности во всех технологических операциях (приготовление, транспорт, сжигание);
• — взрыво и пожаробезопасность во всех технологических операциях;
• — отсутствие пыли.

Водо-угольное топливо, ИКЖТ выгодно отличается от традиционного угля, мазута снижением количества вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу при сжигании, что неоднократно отмечали разные авторы.

Ниже в таблице 1 приведены литературные данные по выбросам в атмосферу [2].

Таблица 1 Количество вредных веществ образующихся при сжигании различных видов топлива.

Использование кавитатора в схеме подготовки квазижидкого топлива в настоящее время положительно оценивается большинством разработчиков. Интерес представляет схема подготовки ВУТ, разработанная в проекте ООО «Радекс» [2]. Схема установки приведена на рис. 4.

В схеме применена двухступенчатая переработка ВУТ в кавитаторе I ступени с частотой 28 кГц, и в кавитаторе II ступени с частотой 54 кГц. ВУТ был хорошо гомогенизирован, с твердой фазой с размерами частиц около 20 мкм по моде, устойчивость топлива была весьма удовлетворительна.

Рис. 4. Схема ОПУ ООО «Енисейский ЦБК» по производству ВУТ 80 т/ч: 1 — бак угольной дробленки; 2 — основной бак; 3, 4 — дополнительные баки ВУТ; 5 — бак готового топлива; 6 — гидроциклоны; 7 — кавитаторы (диспергаторы); 8 — перекачивающий насос; Ауголь; В — вода; Р — реагенты.

Удельный расход электроэнергии составил около 20 кВтч/т ВУТ. Массовая доля воды в ВУТ составляло 54,4%; теплота сгорания ВУТ из отсевов углей черногорского месторождения была Q_н^р = 2646 ккал/кг.

Сжигание топлива проходило в штатном режиме.

Обращает на себя внимание большой удельный износ металла кавитаторов g = 0,117 кг/т. ВУТ. Такой большой износ объясняется тем, что в рассмотренной схеме кавитатор нагружен несвойственными ему функциями размола твердых частиц с твердостью 4 — 5 единиц по шкале Мооса. Кавитатор в схеме нужен в первую очередь для образования физико — химической топливной системы.

Более рационально вместо дробленки с размерами частиц до 7 мм и воды на вход в кавитаторы подавать смесь из тонкодисперсной угольной пыли (0,01ч0,5 мм) и воды.

Такой подход применен в установках ФГУП «Экотехника» (г. Новокузнецк, д.т.н. Мурко В.И.). По схеме «Экотехника» ВУТ приготавливается с применением стержневых мельниц мокрого помола и дорабатывается в кавитаторе.

ФГУП «Экотехника» является лидером в Западно — Сибирском регионе в деле промышленного внедрения технологии ВУТ. ФГУП «Экотехника» разработала, кроме системы производства ВУТ, систему сжигания ВУТ на котлах малой мощности различных типов. К настоящему времени была проведена серия опытных сжиганий ВУТ в различных условиях, и сейчас «Экотехника» перешла к промышленной (штатной) эксплуатации котельных установок на водоугольном топливе, в том числе:

• — технологический комплекс по приготовлению до 1 т/час и сжиганию ВУТ в котле тепловой мощностью 0,55 МВт на Беловском заводе горно-шахтного оборудования (БЗГШО);
• — установка по приготовлению ВУТ из угольных шламов при котельной шахты «Тырганская» (г. Прокопьевск) производительностью до 2,5 т/час;
• — паровой котел КП — 0,55 паропроизводительностью 700 кг/час в котельной ОАО «Хлеб» (г. Новокузнецк), работающей на ВУТ, доставляемом автотранспортом из г. Прокопьевска (расстояние 50 км);
• — демонстрационная установка по подготовке угля, приготовлению, транспортировке, хранению и сжиганию угольных топлив (г. Новокузнецк).

Насколько эффективно использование ВУТ (ИКЖТ)? На этот вопрос можно ответить только на основе технико-экономического анализа конкретной ситуации. При этом необходимо учитывать такие обстоятельства, как:

• — какой вид топлива вытесняется ВУТ;
• — какие компоненты могут быть использованы для составления топливной композиции;
• — находится ли установка по производству топлива у потребителя или топливо производится централизованно.

Кроме этих вопросов, есть еще и другие, не столь значимые. Элементарный технико-экономический анализ выполнялся неоднократно различными авторами, общим выводом является то, что замена углеводородных топлив, таких, как мазут и дизельное топливо, во всех случаях экономически выгодно, но также может быть выгодной и замена твердых угольных топлив.

Такой расчет представлен в работе [1].

Потребителями ВУТ являются котельные, работающие, как правило, при использовании малоэффективного слоевого способа сжигания. Заменяемым топливом являются дефицитные и дорогостоящие марки и сорта углей. Кроме того, потребителями ВУТ могут быть теплогенерирующие установки, работающие на мазуте или природном газе.

Для заинтересованности потенциальных потребителей и безубыточной работы установки по приготовлению ВУТ цена реализации принята в размере 220 руб/т (при стоимости исходного угольного шлама 50 ч 70 руб/т). В этом случае при применении ВУТ в котельных стоимость 1 Гкал составит 75,8 руб., что на 23,8 руб. ниже по сравнению со слоевым способом сжигания рядового угля. (Все цены относятся к 2000 году).

Ниже приведена табл. 2 [1] себестоимости ВУТ.

Таблица 2. Структура себестоимости ВУТ.

При расчете завода в условиях Кузбасса (2000 г.) производительностью 130 ч 160 тыс. т ВУТ в год получено, что ориентировочная стоимость строительства установки и переоборудования котлов составит 15 994 тыс. руб.

При замене мазута водоугольным топливом экономия средств у потенциального потребителя на 1 т.у.т. составит 1355,1 руб. (при стоимости мазута 2500 руб. за 1 т.).

Приведенные данные показывают заинтересованность потенциального потребителя в использовании водоугольного топлива, как для замены слоевого сжигания угля, так и жидкого топлива (мазута). При этом прибыль предприятия при отгрузке 80% производимой продукции составит более 13 млн руб. Таким образом, окупаемость капитальных затрат не превысит 1,5 года.

Модернизация малых котлов ЖКХ с переводом их на ВУТ — ИКЖТ может быть прибыльным предприятием, поскольку при этом значительно увеличивается термический к.п.д. котлоагрегата. Как показывают обследования многочисленных котлов ЖКХ, их состояние таково, что их эксплуатационный к.п.д. не превышает 55% вместо 70 ч 80%.

Данные обследования котельных Кузбасса в 1996 г. [2] показывают, что фактический расход угля (Кузбасский уголь марки II рядовой, Q_н^р = 5220 ккал/кг) составляет от 420 до 717 кг на 1 Гкал тепла вместо 200 кг по норме.

Добавление к котлу адиабатического предтопка для факельного сжигания ВУТ и перевод котла в разряд утилизатора теплоты резко повышает коэффициент использования теплоты котлом, также как и факельное переоборудование топки для слоевого сжигания.

Как показывают расчеты [2], экономия топлива при этом достигает 50%.

Выполненный нами инновационный расчет завода по производству 200 000 т/год ИКЖТ для Сахалина в современных экономических условиях показывает также привлекательность проекта для потенциальных инвесторов.

В расчете стоимости компонентов для ИКЖТ составляли:

• — уголь … 1000 руб/т;
• — нефть (мазут) … 4000 руб/т;
• — вода … 10 руб/т.

Расход электроэнергии 10 ч12 кВтч/т ИКЖТ.

Стоимость электроэнергии 3,5 руб/кВтч.

В основу производства положены технологические модули производительностью 10 ч 12 т/ч. Стоимость полностью автоматизированного модуля составила 7 528 788 руб.

Завод укомплектован 5 технологическими линиями. Ниже представлена таблица 3 расчета конкурентной способности ИКЖТ.

Таблица 3. Расчет конкурентной способности ИКЖТ.

Разделим экономию в равных долях между покупателями и производителем.

Тогда цена 1 тонны ИКЖТ на рынке составит:

Ц_ИКЖТ =.

Показатели оценки эффективности проекта:

— чистая прибыль ПЧ = ОР-И — Н = 216 400 000 — 178 724 00 — 5 086 260 = 32 589 740 руб./год, где О_Р — объем денежной массы за реализацию готовой продукции, руб.;

И — годовые издержки производства, руб.;

Н — налог на прибыль, руб.

— простой срок окупаемости.

=.

где: К — капиталовложения в проект, руб;

И_{АМ -} амортизационные отчисления, руб.

— чистый дисконтированный доход при горизонте 10 лет.

Э_д=(П_Ч+И_АМ)D_S-К+(32 589 740+8508000)· 4,83−82 675 503=115826581 руб.

D_S = [1 — 1/(1+Е)^фр] · Е^-1 = [1 — 1/(1+ 0,16)¹⁰] · 0,16^-1 = 4,83.

— дисконтированный срок окупаемости:

— индекс доходности ИД =.

водоугольный топливо кавитатор Выводы.

• 1. В условиях развития мирового энергетического кризиса, связанного с выработкой углеводородных энергетических ресурсов, новое значение приобретает технология водоугольных топлив, способных замещать мазут.
• 2. В настоящее время в Западно-Сибирском регионе в результате развития НИР созданы все предпосылки для внедрения технологии квазижидкого водоугольного топлива в промышленность. Технология ИКЖТ является наиболее продвинутой из всех известных в настоящее время.
• 3. Областью приложения технологий водоугольного топлива в первую очередь являются объекты малой энергетики: отопительные котельные, котлы коммунальных производств, объекты ЖКХ.
• 4. Наибольший экономический эффект от внедрения водоугольного топлива возможен при вытеснении жидких углеводородных топлив, однако, учитывая большую степень износа коммунальных энергоустановок, особенно в сельской местности, модернизация угольных котельных ЖКХ с переводом их на водоугольное топливо способна дать существенный экономический эффект.

водоугольный топливо кавитатор Литература.

• 1. Зайденварг В. Е., Трубецкой К. Н., Мурко В. И., Нехороший И. Х. Производство и использование водоугольного топлива. М., изд-во Академии горных наук. 2001, с. — 173.
• 2. Водоугольное топливо. Анализ результатов исследования характеристик ВУТ, полученного на ОПУ ООО «Енисейский ЦБК» ОАО Новосибирсктеплоэнергопроект", Новосибирск, 2004, с. — 26.(на правах рукописи).
• 3. Овчинников Ю. В., Ноздренко Г. В., Щинников П. А. и др. Способ производства жидкого композитного топлива. Патент на изобретение № 2 151 959. Приоритет от 08.06.1999.
• 4. Юдин Б. В. Разработка геомеханической модели высококонцентрированных водо-угольных дисперсных систем. Автореферат канд. диссертации. Кемерово, 2001, с. — 24.
• 5. Луценко С. В., Овчинников Ю. В., Евтушенко Е. А. Заявка на изобретение № 2 005 106 639/06 (8 086) «Способ получения искусственного композитного жидкого топлива» от 09.03.2005.
• 6. Овчинников Ю. В., Луценко С. В., Евтушенко Е. А. Физические процессы и механохимические эффекты в дезинтеграторах и кавитаторах при производстве ИКЖТ.// Энергосистемы, электростанции и их агрегаты. Сборник научных трудов. Вып. 9. НГТУ. Новосибирск, 2005, с. — 310.
• 7. Евтушенко Е. А. Разработка композитного топлива из торфа и низкореакционных углей для использования в промышленной энергетике. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Новосибирск, НГТУ, 2003, с — 145.
• 8. Хинт И. А. Основы производства силикатных изделий. М. — Л. Изд-во литературы по строительству и архитектуре. 1962, с. — 600.
• 9. Авакумов Е. Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск. Изд-во «Наука», сибирское отделение, 1986, с. — 305.
• 10. Кулагин В. А. Методы и средства технологической обработки многокомпонентных сред с использованием эффектов кавитации. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. КГТУ, Красноярск, 2004, с. — 47.