CC BY
85
---------------------------------- © А.Н. Анушенков, А.И. Быкадоров,
В.А. Шалауров, 2004
УДК 622.648
А.Н. Анушенков, А.И. Быкадоров, В.А. Шалауров
ПРИГОТОВЛЕНИЕ И ТРУБОПРОВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ ВОДОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ
Семинар № 19
з многих прогнозных оценок развития теплоэнергетики следует, что в перспективе роль угля будет повышаться, особенно в регионах с большими запасами энергетических углей. Вместе с тем, в использовании угля отчетливо проявляются новые проблемы: для теплоэнергетиков - нагрузка на окружающую среду при традиционных способах сжигания угля и высокая стоимость железнодорожного транспорта; для угледобывающих предприятий - увеличение потребительской ценности угля и объемов сбыта продуктов добычи и обогащения. На буроугольных разрезах Кан-ско-Ачинского бассейна (КАБ) сбыт угля особенно актуален: объемы добычи и поставки его потребителям ограничены высокими тарифами перевозки и способностью к самовозгоранию. Увеличение производства электроэнергии, особенно вблизи мест добычи угля, повышает до опасных пределов техногенное загрязнение этих регионов вредными выбросами в атмосферу, шлаками и золами уноса.
Одним из прогрессивных направлений повышения конкурентоспособности углей в теплоэнергетике является транспорт и сжигание их в виде водоугольной суспензии, в основном за счет сокращения расходов на транспортирование. При оценке перспективы использования водоугольных суспензий (ВУС) следует, в первую очередь, учитывать, что решение вопросов технологии и качества приготовления ВУС неразрывно связано с доставкой готового продукта до потребителя. При больших
расстояниях альтернативой железнодорожным перевозкам ее является трубопроводный тра1Ёри1{ним свойства ВУС, готовой к сжиганию в котлах ТЭС и (или) к трубопроводному транспортированию. Отмечается [1], что сжигание ВУС в котлах ТЭС эффективно при следующих параметрах суспензии: зольность - до 5%, сера - до 1%, крупность твердой фракции
до 74 мкм - не менее 75%, крупнее 300 мкм -не более 1%, содержание твердого по массе -65-75%. Это обусловлено режимом горения в котле. Установлено [2], что для эффективности выгорания факела ВУС из каменных углей необходим весьма тонкий распыл топлива в форсунках до размера капель 60-70 мкм с расходом распылителя до 20% от расхода суспензии при давлении 1-1,5 МПа. Увеличение размеров зерен угля и капель распыла приводит к недопустимо большому времени выгорания коксового остатка и снижению КПД работы котлов.
Вместе с тем, рост концентрации угля в суспензии и тонины его помола влечет за собой изменение реологических свойств ее. Увеличение концентрации мелких частиц более 15-25% обусловливает изменение структуры суспензии и переход к «неньютоновскому» режиму течения потока. Напряжения на стенках трубопровода при такой суспензии описываются известной зависимостью Шведова-Бингама = т0 + це0, где
ц - вязкость суспензии, Па-с; е0 - градиент скорости сдвига; т0 - статические напряжения сдвига (предел текучести), Па. Составляющая це0 определяет сопротивление, вызванное вязкостью материала, и описывает режим течения «ньютоновской» жидкости, а т0 переводит течение среды в вязкопластическое (бингамовское). При напоре, создаваемом насосами меньше т0, суспензия испытывает только упругие деформации и остается в покое. Весьма важным свойством вязкопластической ВУС является рост т0 во времени при остановке потока [2, 3].
Удельное сопротивление движению суспензии (гидравлический уклон) в трубопроводе пропорционально динамической вязкости, которая зависит от скорости течения: с ростом скорости уменьшается т0, режим течения переходит из ламинарного в турбулентный; снижается выпадение частиц на дно, прекращается
образование неподвижного осадка. Общее удельное сопротивление потоку при этом растет пропорционально квадрату скорости.
Для оценки влияния концентрации суспензии и тонины помола угля на реологические свойства ВУС, определяемые экспериментально, отметим результаты, полученные в институте
КАТЭКНИИуголь [3, 4]. В суспензии увеличение концентрации бурого угля с 32,4% до 42,8% вязкость ц увеличилась с 0,05 до 1,5 Пас, а предел текучести То - от 2,5 до 20 Па. Для состава с концентрацией твердого 42,8% после 1,5-часовой циркуляции ВУС в турбулентном режиме реологические показатели составили: ц = 1,2 Па-с, т0 = 16 Па. После 15-ти суточного хранения ц возросло до 1,9 Пас, т0 - до 21,5 Па. Гранулометрический состав оставался постоянным: доля частиц менее 0,05 мм - 68,9%, менее 0,1 мм - 83%.
Исследованиями КАТЭКНИИугля установлено, что ВУС из бурого угля Канско-Ачинского бассейна (КАБ) при концентрации его в суспензии свыше 50-55% становится нетранспортабельным по трубопроводу, причина - чрезмерно большое путевое сопротивление.
Рост концентрации каменного угля (марка Г) в суспензии с 57,4 до 61,2% приводит к росту ц с 0,42 до 0,81 Па-с, а т0 - с 2,3 до 6,7 Па. Доля частиц угля крупностью менее 0,05 мм составляла 63,8%, менее 0,1 мм - 79,3%.
На реологические свойства ВУС влияют химические свойства углей и минеральных шлаков [2]. Так увеличение атомного соотношения кислорода к углероду с 0,02 до 0,2 приводит к росту эффективной вязкости суспензии, готовой к сжиганию, в 5-6 раз. Максимальное соотношение О: С имеют бурые, длиннопламенные и газовые угли. При О: С, равном 0,16, эффективная вязкость ВУС близка к 1,0 Пас, что делает проблематичным транспортирование суспензии в трубопроводе. Включение в состав высококонцентрированной суспензии 1% природных глиноземов увеличивает вязкость ее в 10-15 раз, а необходимый для текучести градиент деформации, определяемый скоростью потока в трубе, - в 3550 раз. Все это делает трубопроводный транспорт готовой к сжиганию ВУС на большое расстояние проблематичным, что явилось основной причиной неудачного опыта эксплуатации углепровода Белово-Новосибирск.
Зарубежная практика имеет большой опыт приготовления и трубопроводного транспорта угольной суспензии [5]. Проведем сравнение технологии трубопроводного транспортирования
водоугольной суспензии и подготовки угля к сжиганию в России и в США, где этот способ доставки угля с места добычи к потребителю нашел широкое применение. В США первый крупный промышленный углепровод длиной 173 км был введен в эксплуатацию в 1957 г. в штате Огайо. При диаметре трубопровода 254 мм производительность составила 1,3 млн. т в год. Транспортные расходы по сравнению с железнодорожным транспортом снизились на 43%. Накопленный опыт позволил построить в штате Аризона углепровод «Блэк-Меса-Пайплайн» длиной 438 км. Для сравнения основные параметры систем трубопроводов приведены в таблице.
В системе Блэк-Меса-Пайплайн технологическая схема рассчитана на трубопроводный транспорт водоугольной смеси с малой вязкостью [6].
Комплекс подготовки водоугольной суспензии содержит три приемных бункера, в которые поступает уголь крупностью до 51 мм. Из бункеров уголь подается ленточным конвейером на грохочение: верхняя решетка пропускает частицы крупностью до 25 мм, нижняя - 9,5 мм. Над-решетный продукт с обеих решеток подается в дробилку ударного действия, которая измельчает уголь до фракций не более 9,5 мм. После дробления уголь перегружается на питатель-весо-измеритель и подается на измельчение в стержневую мельницу, в которую вместе с углем подается вода.
Перед поступлением в резервуар готовой суспензии производится классификация угольных частиц до размера 2,4 мм. Более крупные частицы возвращаются в мельницу на домол. Готовая к транспортированию суспензия с содержанием 50% угля из резервуаров подается центробежными насосами к поршневым насосам высокого давления. Вязкость суспензии составляет 0,020,03 Пас. На своем протяжении трубопро вод пересекает две реки и восемь автодорог. На приемном пункте пульпа из трубопровода поступает в резервуары, оборудованные механическими смесителями двухлопастного типа.
Из резервуаров пульпа центробежными насосами подается через теплообменники к центрифугам. Всего - действует 40 центрифуг. В теплообменниках суспензия подогревается до 600, влажность угля снижается с 19 до 10,5%. На стадии обезвоживания в центрифугах из пульпы отделяется 75% воды.
Параметры углепроводов и ВУС Углещ )ОВОДЫ
Белово-Новосибирск Блэк-Меса-Пайплайн
Протяженность, км 258 438
Диаметр магистрального трубопровода 530 (наружный) 457 (внутренний)
Скорость течения ВУС, м/с 0,7-0,9 1,78
Производительность, тыс.т/год 3000 (проект) 4370
Количество промежуточных насосных станций 2 3
Тип насосов Поршневые Поршневые
Рабочий напор насосов, МПа Производительность насосов при давлении, м3/с: 13,93-31,38 12,75-31,5
минимальном 0,0509 0,0850
максимальном 0,0227 0,0328
Весовая концентрация угля в суспензии, % 61 50
Максимальный размер частиц, мм 0,5 2,4
Вязкость суспензии ^ , Па-с 0,9-1,4 0,02-0,03
Предел текучести, Па 11-13 0
Таким образом, опыт использования трубопроводного транспорта угля в теплоэнергетике США, где доля угля в массе энергоносителей составляет около 70%, можно характеризовать следующим. Основной задачей технологии подготовки водоугольной суспензии является во-первых, придание ей свойств «ньютоновской» жидкости с малой вязкостью и минимальным путевым сопротивлением течению в трубе, во-вторых, с гранулометрией и концентрацией твердых частиц в суспензии, соответствующих условиям использования поршневых насосов, способных создать большой напор. Гарантией поддержания седиментаци-онной устойчивости твердого в суспензии является высокая скорость течения.
В варианте углепровода Белово-Ново-сибирск (рис. 1) седиментационная устойчивость суспензии создается в процессе приготовления ее на головном технологическим комплексе: полученный здесь продукт имеет свойства мелкодисперсной двухфазной жидкости с устойчивыми межмолекулярными структурными связями, образующимися за счет большой доли мелких частиц и высокой их концентрации в ВУС. Такая суспензия получает свойства упругого твердого тела, т.е. при напряжениях в ВУС менее т0 она остается неподвижной. В неподвижном состоянии т0 возрастает. На пролете между смежными линейными станциями скорость течения является пока единственным средством поддержания текучести и седиментационной устойчивости ВУС. На промежуточных линейных станциях гомогенность суспензии восстанавливается прогонкой ее в турбулентном режиме течения по специальному кольцу - трубопроводу меньшего диаметра.
Реальная максимально достигнутая в 1993 г. скорость течения при максимальной производительности составила 0,12 м/с и в среднем 0,09 м/с - за 10 суток. При этом режим течения в трубопроводе мог быть только ламинарным, с периодическими остановками. Все это приводит к росту предела текучести суспензии, выпадению и накоплению частиц твердого на дне трубопровода и создает аварийные ситуации.
Трудности трубопроводного транспорта на углепроводе Белово-Новосибирск проявились в самом начале его эксплуатации, практически он никогда не соответствовал проектным параметрам, хотя попытки «прокачать» магистраль повторялись многократно.
Сравнение технологических схем и результатов эксплуатации показанных систем трубопроводного транспорта водоугольной суспензии позволяет сделать ряд выводов. Скорость потока суспензии, как обязательный параметр ее трубопроводного транспорта, должна быть не ниже критической и обеспечивать турбулентный режим течения. Транспортирование по трубопроводу высококонцентрированной вязкопластической водоугольной суспензии следует признать малонадежным процессом. Причины этого - слабая гомогенизация смеси в трубопроводе, в линейных резервуарах, отсутствие (кроме пластификатора) реальных способов снижения вязкости и ее предела текучести. В итоге требуется снижать концентрацию ВУС, а соответственно и эффективность ее сжигания.
Более рациональной является технология трубопроводного транспорта маловязкой ВУС с подобранной гранулометрией угольных частиц и концентрацией их. Подготовка к сжига-
нию - у потребителя (см. рис. 16). Это позволит значительно повысить качество готовой ВУС, так как при малых расстояниях ее доставки имеются все условия использовать комплекс средств для снижения вязкости и повышения гомогенности суспензии (подогрев, теплоизоляция труб, подгазовка, механическая активация и т.п.). Необходимые операции по частичному снижению водонасыщенности суспензии и доизмельчению угля у потребителя не представят особой сложности в выборе технологического оборудования.
Большой интерес для угледобывающих предприятий представляет повышение потребительской стоимости отсевов и шламов мокрого обогащения энергетических углей. В базовой стратегии развития Кузбасса к 2010 г. предусматривается обогащать до 70% добытых энергетических углей [7]. Доля отсевов и шламов крупностью до 13 мм в продуктах обогащения составляет около 50% при зольности их до 17%. Приведенная оптовая цена отсевов и шлама в настоящее время составляет 6,60 дол./т, при цене рядового угля 16,39 дол./т и концентрата - 33,650 дол./т (в ценах 1995г.), т.е. отсев и шламы в 2,43 раза уступают в цене рядовому углю. Расчеты
" \ ; ЧТО*
* Г
ЙУС ИшНгаНйг ‘X 1
\
показали, что ВУС, приготовленная из промпро-дуктов с зольностью 17% при соотношении их цены с рядовым углем (в 2,4 раза), как в предыдущем примере, обеспечит снижение себестоимости единицы тепла более чем в 2 раза. Это особенно актуально для вновь осваиваемого Ерунаковского района Кузбасса, где проектными решениями предусмотрено сооружение более 20 автономных водогреек с производительностью каждой 20-35 Гкал/ч при общей потребности свыше 1300 Гкал/ч.
В обогатительном цикле, например на Таллинской фабрике, отсевы образуются после грохочения и дробления при сухой классификации. Эта фракция (32-33% угля с зольностью 18-19% и влажностью 11,5%) поступает в силосы отсева. На стадиях дешламации и сортировки концентрата дополнительно выделяются примерно равные доли отсева с зольностью 20 и 9,5%. В сумме отсев в силосах имеет зольность около 17%.
Шламовые фракции промпродукта в количестве 4% общего объема переработки с зольностью 13% и водосодержанием около 50% образуются после гидроклассификации и сгущения, после чего поступают на обезвоживание и далее в силосы отсевов. Передел этой доли шлама на ВУС представляет наиболее простой вариант по технологической схеме ее приготовления и стоимости готового для сжигания продукта. В схеме передела шламовой суспензии с концентрацией 50% угля по массе следующая операция, после уже осуществленных на ОФ, - дозированная подача ее в доизмель-читель (рис.2). В качестве доизмельчителя могут быть использованы тороидальный, молотковый или гидроударно-
кавитационный активаторы [8, 9], производительность которых составляет 40-70 м3/ч. Сжигание только шламовых фракций продукта обогащения одной обогатительной фабрики (34 т/ч) в предусмотренных для нужд Ерунаковского района котлах КВ-ТС-10 и КВ-ТС-20 при их КПД 0,75 позволит получить 120 Гкал/ч тепла. По
Рис. 1. Технологические схемы углепровода Бело-ео-Ноеосибирск: а) существующая; б) рекомендуемая; 1 - исходные продукты ВУС, 2 - стержневая мельница, 3 - шаровая мельница, 4 - репульпатор, 5 - бак готовой ВУС, 6 - трубопровод, 7 - промежуточные насосные станции, 8 - приемный бак суспензии у потребителя, 9 - емкость полидисперсной суспензии
Рис. 2. Технологическая схема приготовления ВУС на основе роторного гидроударного диспергатора:
1 - репульпатор; 2 - рециркулярный бак; 3 - роторный гидроударный дис-пергатор; 4 - бак готовой ВУС
параметрам топок эти котлы соответствуют условиям сжигания ВУС.
При полной загрузке типовой обогатительной фабрики (850 т/ч) количество отсева составит около 400 т/ч (по сухому углю) и 2,6 млн.
т/год. Количество тепла из отсева одной такой ОФ при режиме круглогодич ного его потребления, с учетом КПД котлов (0,75), потерь тепла на испарение влаги в топочном пространстве (5%) составит более 1000 Гкал/ч.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Трубецкой К.Н., Чантурия В.А., Краснов Т.Д. и др. Новые направления повышения рентабельности углей для энергетики// Международный конгресс. Горная промышленность России на рубеже ХХ-ХХ1 веков. ИГД им. А.А.Скочинского, 1995.
2. Хиднятов А.М., Бабий В.И., Осинцев В.В. и др. Основные результаты исследований водоугольного топлива и перспективы его использования//РАО ВТИ. Сб. докл. Всероссийского научно-техн. семинара «Новые технологии сжигания твердого топлива; их состояние и использование в будущем». М., 1993.
3. Демидов Ю.В., Бруер Т.Г., Колесникова С.М. Получение высококонцентрированных водоугольных суспензий из бурых углей Канско-Ачинского бассейна. Обзор ЦНИИЭИУголь, М., 1994.
4. Колесникова С.М., Владимирцева И.И., Баринова М.П. О седиментационной устойчивости буроугольных суспензий//Уголь, 1994.- № 4.
5. Мулухов К.К. Транспортные машины на горных предприятиях США. М., Недра, 1981.
6. James M. Link. Hydraulic Transportation of Coal from the Face. Presented at the American Mining Congress Coal Show, Detroit, Michigan,1976, USA.
7. Курленя M.B., Соболев A.H., Фрейдина E.B. Стратегия повышения качества и конкурентоспособности углей при открытой разработке месторождений Кузбасского бассейна // ФТПРПИ.-1996.-№ 1.
8. Патент РФ № 2138335. Способ приготовления водоугольной суспензии и роторный гидроударный аппарат для его осуществления. Опубл. в БИ № 27 за 1999 г. (Курленя М.В., Анушенков А.Н., Фрейдин А.М., Шалауров В.А.
9. Патент РФ № 2169625. Гидродинамический генератор для обработки суспензий. Опубл. в БИ № 18, 2001 г. (Фрейдин А.М., Шалауров В.А., Анушенков А.Н.).
___ Коротко об авторах ___________________________________________________________________________
Анушенков А.Н. - доктор технических наук, профессор, сотрудник лаборатории подземной разработки рудных месторождений,
Шалауров В.А. - кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории подземной разработки рудных месторождений,
Быкадоров А.И. - младший научный сотрудник лаборатории подземной разработки рудных месторождений,
Института горного дела СО РАН.
