CC BY
173
= 12
Энергобезопасность и энергосбережение
УДК 621.039.542.84
Гидроударные технологии в производстве водоугольного топлива
А. Г. Морозов,
кандидат технических наук,
генеральный директор ООО «Амальтеа-Сервис», Москва
Н. В. Коренюгина,
главный технолог МП «Техприбор», г. Щёкино, Тульская обл.
Водоугольное топливо представляет собой мелкодисперсную смесь (суспензию) измельчённого угля, воды и стабилизирующей добавки. Используется в качестве экологически чистого и недорогого источника тепловой энергии. В статье рассматривается совместная разработка специалистов ООО «Амальтеа-Сервис» и машиностроительного предприятия «Техприбор», позволяющая существенно снизить энергетические и материальные затраты на производство водоугольного топлива с одновременным улучшением как технологических, так и эксплуатационных качеств получаемого продукта.
Ключевые слова: водоугольное топливо, мокрый помол, дезинтегратор.
Введение
Сжигание угля в форме водоугольного топлива (ВУТ) обладает рядом экономических, экологических и эксплуатационных преимуществ по сравнению с пылевидным и, особенно, слоевым сжиганием. Применение ВУТ позволяет увеличить эффективность сжигания угля, утилизировать угольные шламы, уменьшить взрывоопасность тонкодисперсной угольной пыли на энергетических котлах, снизить количество выбросов в атмосферу оксидов азота и оксидов серы [1, 3, 4].
Мировой опыт использования ВУТ чрезвычайно широк и включает в себя значительный практический и научный вклад японских исследователей, опыт приготовления ВУТ в Китае совместным японо-китайским предприятием Japan COM Co. Ltd и его дальнейшую транспортировку морскими танкерами до электростанции компании Joban Joint Thermal Power в Накосо, Япония (энергоблок 600 МВт, до 500 тыс.т в год) [2, 3]. В работах [1, 3, 4] показано, что наилучшие технические и экологические характеристики котлов достигаются при
совместном сжигании пылевидного угля и водоуголь-ной суспензии с долей ВУТ от 30 до 80 % (в зависимости от режима работы) в тепловом балансе котлов. На газомазутных котлах также наиболее эффективная доля ВУТ может составлять от 25% до полного замещения газа (мазута), при этом максимальная доля ВУТ определяется зольностью исходного угля и наличием соответствующих систем золоулавливания.
Исследования PennState University подтвердили экологическую эффективность ВУТ, отметив снижение выбросов оксидов серы и азота, причём содержание оксида азота уменьшилось не только благодаря меньшей температуре горения, но и на 25,6 % в результате восстановительного характера реакций, возникающих в процессе сжигания ВУТ [4].
Самым успешным в России был опыт транспортировки ВУТ из г. Белово и его сжигания на Новосибирской ТЭЦ-5 [5, 6].
Основными сдерживающими факторами массового внедрения ВУТ в России была низкая стоимость основного энергоносителя - газа [7] и крайне неэффективная технология производства
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 13 =
1
3 ■
ВУТ, характеризующаяся высокими энергозатратами, многостадийностью, необходимостью использования дорогостоящих реагентов-стабилизаторов. Кроме того, основной акцент при внедрении ВУТ делался на использование водоугольной суспензии для транспортировки угля, хотя основные преимущества относятся к области хранения и сжигания ВУТ [1-8].
Существующие решения
Высокие энергозатраты на приготовление ВУТ по традиционной схеме производства объясняются прежде всего тем, что основным способом механического диспергирования угля как в России, так и во всем мире является мокрый помол во вращающихся шаровых, стержневых или вибрационных мельницах [9, 10]. В силу особенностей механических процессов помола в мельницах раздавливающе-истираю-щего действия непосредственно на измельчение тратится от 2 до 20 % всей подведенной энергии [10]. По имеющимся практическим данным, энергозатраты на мокрый помол в вибромельницах составляют не менее 55 кВт-ч на тонну продукта [8, 9].
Серьезным недостатком вибрационных мельниц также является крайне неоднородный зерновой состав продукта помола, который содержит и переизмельченные частицы, и, напротив, слишком крупные зерна. Поэтому в традиционных технологических схемах производства ВУТ в основном используется замкнутый цикл помола, когда полученная суспензия подвергается сепарированию с последующим домолом выделенных крупных зерен. Всё это в совокупности с необходимостью добавки пластификаторов усложняет технологический процесс и увеличивает себестоимость ВУТ.
Предлагаемые решения
ООО «Амальтеа-Сервис» совместно с машиностроительным предприятием «Техприбор» разработана оригинальная технология приготовления водоугольного топлива на основе гидроударной установки мокрого помола (ГУУМП). Помольным агрегатом ГУУМП является дезинтегратор мокрого помола (ДМП) «Горизонт МК-ВА»®. Его конструкция запатентована (Патент на полезную модель № 72155). Для приготовления ВУТ в ДМП произведена модернизация узла пропорциональной подачи угля и воды в помольную камеру агрегата. ДМП оснащен дозаторами угля и воды непрерывного действия, растворонасосом выдачи продукта помола и устройством вентиляции приемного бункера (рис. 1, 2).
Известно, что разрушение твердого тела происходит в том случае, если количество подведенной энергии достаточно для преодоления сил внутреннего
Рис. 1. Структурная схема гидроударной установки мокрого помола:
- дисковый затвор ДЗ-260.270.Р (возможно оснащение дисковым затвором ДЗ-260.270.DNT80.100 с пневмоприводом); 2 - шнековый дозатор угля в конвейер подачи ДМП (1,1 кВт); винтовой конвейер загрузки ДМП (ВК - 147 Б - 1000-С-ТЛ-М1175 7,5/187(3 кВт); ■ дезинтегратор мокрого помола «Горизонт - 3000 - МК-ВА» (ДМП) (39,2 кВт); 5 - героторный насос на выдачу готового продукта (5 кВт); 6 - героторный насос на подачу воды в ДМП (0,37 кВт)
Суммарная мощность участка 48,67 кВт
Рис. 2. Внешний вид ГУУМП
сцепления в измельчаемом материале. Но помимо количества энергии, не меньшее значение имеет и способ ее приложения к объекту разрушения.
При механическом диспергировании твердые тела могут подвергаться действию как сжимающих сил с двух сторон (статическое раздавливание -истирание), так и с одной стороны (свободный удар). Основные виды минерального сырья, в том числе и уголь, являются хрупкими материалами, их проч-
ВШШШЕМ!
14 ^^ Энергобезопасность и энергосбережение
ность на сжатие обычно в 6-12 раз превосходит прочность на растяжение или изгиб. Поэтому с точки зрения рационального использования подведенной энергии для разрушения таких материалов целесообразней использовать быстрый удар, а не медленное сжатие [10,11]. В то же время вращающиеся шаровые, вибрационные мельницы, кавитаторы с их эффектом внутренней сепарации реализуют именно помол истиранием, сопровождающийся большим расходом энергии, нагревом, высоким абразивным износом мелющих тел [12,13].
Для измельчения минерального сырья в дезинтеграторе мокрого помола используется свободный удар. Частицы угля, сталкиваясь с ударными элементами корзин-роторов, получают мощные разнонаправленные удары, интенсивность которых увеличивается по мере продвижения материала к выходу камеры помола. Вода в реализуемом способе измельчения является не только проводником кинетической энергии удара, доставляя его в мельчайшие трещинки частиц угля, но и в полном соответствии с эффектом П. А. Ребиндера снижает прочность твердого тела, облегчая его разрушение.
Большая размольная мощность ДМП удачно дополняется и высокой избирательностью измельчения. Поскольку энергия удара пропорциональна массе частицы угля и её квадрату скорости (Е=шУ2/2), по достижении частицами определенных размеров их дальнейшее измельчение прекращается. Таким образом, ГУУМП позволяет получать водоугольную суспензию требуемого гранулометрического состава с минимальным содержанием переизмельченных частиц и полным отсутствием крупных зерен в открытом цикле помола без использования сепараторов.
Основные параметры работы ГУУМП, такие как гранулометрический состав, влажность ВУТ, легко регулируются настройкой дозаторов компонентов и оборотами роторов-корзин дезинтегратора. Для изменения содержания в суспензии частиц определенного класса крупности достаточно снизить или, напротив, увеличить скорость вращения роторов-корзин дезинтегратора.
Технические характеристики ГУУМП
Испытания ГУУМП подтвердили его следующие характеристики:
производительность: до 4,6 м3/ч (расширяем до 8 м3/ч), т.е. около 5,5 т/ч;
грансостав ВУТ (90% частиц): регулируется от 25 мкм и выше;
влажность ВУТ: регулируется от 30% и выше; потребляемая мощность: 48,5 кВт; приготовление ВУТ: 38 кВт-ч (20+18 кВт); дозаторы угля, конвейер загрузки: 4 кВт; дозатор воды и насос выдачи ВУТ: 5,4 кВт; габариты (без питателя), мм: 2280x1900x1750 время выхода на рабочий режим (оцениваемое по выходу суспензии с заданными параметрами): около 45 секунд.
Таким образом, энергозатраты на приготовление ВУТ составили 9,8 кВт-ч на тонну из предварительно
[МКМ]
Рис. 3. Грансостав бурого угля Б2 после измельчения в ГУУМП
дроблёного угля (размер зерен 12 мм), что более чем в 5 раз ниже, чем при использовании вибромельницы ВМ-400. При этом грансостав получаемого водо-угольного топлива может оперативно изменяться в зависимости от требований к сжиганию, хранению и транспортировке ВУТ.
Для экспериментов использовался бурый уголь (рис. 3) марки Б2 Канско-Ачинского бассейна (месторождение Назаровское, зольность Полученная суспензия сохраняла стабильность на протяжении 5 суток без применения дополнительных добавок-стабилизаторов, перемешивания и коррекции грансостава. Очевидно, что только коррекция грансостава позволит повысить стабильность не менее чем до 30 суток без применения стабилизаторов, а при регулярной рециркуляции ВУТ в ёмкости (раз в неделю) - не менее нескольких месяцев.
Характерен узкий зерновой состав продукта помола с преобладанием частиц размерами 28 мкм.
Преимущества разработки заключаются в следующем:
- ГУУМП является компактным устройством рамной конструкции, не требует наличия фундамента, что снижает затраты на строительно-монтажные работы и позволяет реализовать линию приготовления ВУТ в модульном исполнении;
- энергозатраты на приготовление ВУТ более чем в 5 раз ниже традиционных способов приготовления в вибромельницах;
- отсутствует необходимость применения сепараторов и замкнутых схем помола. Из технологической схемы исключены промежуточные ёмкости, служащие для сбора рециркулята ВУТ, большие объемы которого так характерны для кавитацион-ной технологии [12];
- открытый цикл помола, а значит отсутствие рециркуляции, дополнительно снижает затраты на перекачку ВУТ, упрощает обслуживание линии приготовления, позволяет снизить штат обслуживающего персонала;
- выход продукта помола начинается примерно через 40-45 секунд после включения ГУУМП в работу;
- ГУУМП является устройством приготовления ВУТ принципиально нового типа, лишенного недостатков предшествующих технологий: высоких
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 15 =
энергозатрат, сложности технологической схемы, необходимости применения реагентов.
Выводы
Опыт применения ВУТ позволяет утверждать, что в большинстве случаев целесообразнее создавать запасы угля стандартным способом, а приготовление ВУТ осуществлять ближе к моменту его предполагаемого сжигания. Подобная схема позволяет избежать затрат на специальные меры по повышению стабильности ВУТ.
Если же запас ВУТ необходим, то, как показывает опыт «Амальтеа», его хранение может успешно осуществляться не менее 4 месяцев в стандартных ёмкостях без применения пластификаторов. Поддержание стабильности ВУТ осуществляется периодическим (раз в неделю) перемешиванием ВУТ обычными насосами. Энергозатраты на поддержание в стабильном состоянии ВУТ из камен-
ного угля на протяжении 3-х месяцев составляют не более 12 кВт-ч/т, что существенно меньше затрат на добавку пластификаторов. Подобная схема может эффективно использоваться на объектах ЖКХ. А учитывая низкую зольность углей Канско-Ачинского бассейна, их высокую теплотворную способность и низкую температуру воспламенения, сжигание ВУТ на паровых и водогрейных котлах можно рассматривать как вполне реальную альтернативу (вплоть до полного замещения) традиционным видам топлива - газу и мазуту.
На энергетических объектах ГУУМП может применяться взамен существующих шахтно-мель-ничных комплексов практически на любой отметке возле котла. Длительное хранение ВУТ в данном случае нецелесообразно, для стабильной работы необходима только буферная ёмкость промежуточного хранения ВУТ.
Литература
1. Sunggyu Lee, James G. Speight, Sudarshan K. Loyalka. Handbook of alternative fuel technologies // СКС Press, New York, 2007.
2. NEDO and lEA-eLM International Cooperation Committee, CWM in Japan. 1997.
Noboru Hashimoto. CWM: Its Past, Present and Future // International Journal of Coal Preparation and Utilization, 21:1,3. 22. London, 1999.
3. Noboru Hashimoto. CWM: Its Past, Present and Future//International Journal of Coal Prepapation and Utilization, 21:1,3 - 22. London, 1999.
4. Coal-Water Slurry Fuel Combustion. Электронный ресурс, код доступа: http://www.energy.psu.edu/sp/cwsfcomb.html.
5. Зайденварг В. Е., Трубецкой К. Н., Мурко В. И., Нехороший И. Х. Производство и использование водо-угольного топлива. - М.: Изд-во Академии горных наук, 2001. - 176 с.
6. Делягин Г. Н., Корнилов В. В., Кузнецов Ю. Д., Чернегов Ю. А. Совершенствование водоугольного топлива и перспектива его применения // Приложение к научно-техническому журналу «Экономика топливно-энергетического комплекса России».- М.: ВНИИОЭНГ, 1993. - 31 с.
7. Морозов А. Г., Мосин С. И., Мурко В. И. ВУТ в теплоэнергетике // Энергия: экономика, техника, экология.- 2007. - № 4.
8. Морозов А. Г., Мосин С. И., Делягин Г. Н. Российский опыт внедрения промышленной технологии производства водоугольного топлива // Новости теплоснабжения. - 2008. - № 9.
9. Использование вибромельниц для приготовления ВУТ. Электронный ресурс, код доступа: http://liquid-coal.ru/2008/05/19/26.
10. Липилин А. Б., Векслер М. В., Коренюгина Н. В. Ударная шаровая мельница «Трибокинетика» или новая техника механического диспергирования. Электронный ресурс, код доступа: http://www.tpribor.ru/tribokinet.html
11. Хинт И. А. Основы производства силикальцитных изделий.- М.: Госстройиздат, 1962.
12. Карпов Е. Г. Водоугольное топливо - технология будущего // Энергетика и промышленность России. -2007. - № 5.
13. Морозов А. Г. Кавитационные технологии для приготовления жидкого угля. Электронный ресурс, код доступа: http://liquidcoal.ru/2008/06/16/28.
