CC BY
27
© Б.И. Линёв, 2003
УДК 622.765 Б.И. Линёв
РАЗРАБОТКА РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ОБОГАЩЕНИЯ УГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ НА ОСНОВЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОДХОДА
Энергетическая стратегия России на период до 2020 г. предусматривает наращивание добычи энергоносителей для обеспечения ежегодного прироста ВВП в объеме 5-5,5%. При этом закладывается прогрессирующий рост добычи и использования угля. Анализ проблемы угледобычи, обогащения и потребления энергетических углей ТЭС в России показал, что на отечественных ТЭС, в основном, используются низкокалорийные, часто рядовые, энергетические угли, потребление которых без глубокого обогащения является не конкурентоспособным альтернативным видам жидких и газообразных топлив. Кризис угольной энергетики частично возник в связи с неспособностью угольной промышленности производить топливо эффективное для генерирования тепловой и электрической энергии на современном технико-экономическом уровне, конкурентоспособное с другими энергоносителями по энергонасыщенности, удельному содержанию экологически неблагоприятных элементов и цене. В общем виде каждый процент золы низкосортного топлива дает потерю мощности на 0,10,15 КПД, необходимость в дополнительном топливе 0,5 г/кВт-ч условного топлива, остановка дополнительно на 60 часов в год из-за ремонта оборудования, возрастание на 0,13% расхода электроэнергии на собственные нужды, увеличение на 0,6-1,5% расхода мазута на единицу сжигаемого топлива. Именно это увеличивает себестоимость производства «угольного киловатт-часа» и снижает его конкурентоспособность. Решение этой стратегической проблемы может быть решено только путем глубокого обогащения энергетических углей по принципиальным схемам, учитывающим не только обогатимость углей, но и энергетическую ценность тонны полученного концентрата.
Подходя к оценке исходного угля как объекта обогащения, с учетом многообразия факторов, влияющих на формирование их свойств, можно видеть, что только часть этой многокомпонентной смеси может быть эффективно использована для технологических и энергетических целей. Вместе с тем, данные о распределении золы и серы по классам крупности и фракциям плотности, лежащие в основе существующей оценки обогатимости углей и принимаемые за основу разработки технологии их обогащения, не отражают энергетической ценности как рядового угля, так и концентратов в силу сложности химического состава горючей массы угля и различной энергетической ценности каждого ее компонента.
Не смотря на разнообразие классификаций, до сих пор отсутствует методология обоснования принципов, лежащих в основе оценки обогатимости энергетических углей по их энергетической ценности и ранжирования добываемых углей как по обогатимости, так и по энергетической ценности.
Последнее делает затруднительным прогнозирование показателей качества и выхода продуктов обогащения энергетических углей отдельных пластов или их участков по данным исследования месторождений, что приводит к неопределенности при решении вопроса вовлечения таких месторождений в эксплуатацию, в вопросах обоснования глубины обогащения таких углей и разработки наиболее эффективных технологических схем их обогащения с ориентацией на конкретного потребителя. Применение сквозных показателей оценки результативности обогащения и энергетического использования может положительно сказаться на эффективности и конкурентоспособности угольной энергетики.
Поэтому установление закономерностей влияния на обо-гатимость и энергетическую ценность совокупности физических, технологических свойств и химического состава горючей массы энергетических углей, разработка комплексного критерия их энергетической ценности, позволяет ранжировать энергетические угли и по обогатимости и энергетической ценности и определять глубину их обогащения, а использование «энергетических» кривых обогатимости -создавать технологии переработки и обогащения энергетических углей в топливо
Такой комплексный подход к решению проблемы энергетического углепользования потребовал теоретического обоснования и разработки методологии классификации энергетических углей по совокупному параметру обогати-мости и энергетической ценности, отражающему механизм изменения энергетического состояния углей в процессах переработки и обогащения угольных смесей и создание на ее основе прогрессивных технологий переработки и обогащения углей в топливо для эффективной энергетики.
Энергетическая ценность углей определяется как составом их горючей массы, так и топливным балластом. Многочисленными исследованиями показано, что различные марки углей характеризуются различным влиянием на теплоту их сгорания химического состава, выхода летучих, отражательной способности витринита и т.д. При этом в зависимости от марки угля, степени метаморфизма и возраста, влияние указанных факторов на энергетические свойства углей будет различным. Так, по выходу летучих веществ, возможно диагностировать тощие, спекающиеся и жирные угли. Содержание углерода определяет энергетическую способность газовых и газопламенных углей, а отражательная способность витринита - тощих, спекающихся и жирных углей.
Очевидно, что помимо степени метаморфизма угля, на его энергетическую ценность влияет его зольность и влажность, рост содержания которых уменьшает теплоту сгорания на рабочее состояние топлива Qir.
При решении вопроса о технико-экономической целесообразности включения в энергетический цикл использования энергетических углей операций их облагораживания (обогащения) необходимо рассматривать влияние всей совокупности физических, физико-химических, технологических свойств как на квалификационные - Qsdaf, так и потребительские - Qir характеристики углей. Поэтому, при решении вопроса о разработке моделей, позволяющих количест-
венно прогнозировать указанные аспекты энергетической ценности углей, был проведен анализ взаимосвязей указанных энергетических характеристик и свойств энергетических углей.
При оценке энергетических характеристик углей, за функции отклика F были приняты Qsdaf и Qiг, а за независимые переменные - общепризнанные физические, технологические свойства и характеристики химического состава углей.
Примененный метод статистического моделирования сложных, многомерных зависимостей основных энергетических характеристик, определяющих не только энергетику Qsdaf но и потребительские свойства энергетических углей Qiг, от их физических, технологических свойств и химического состава горючей массы угля позволил разработать относительно простые, имеющие физический смысл модели, позволяющие прогнозировать указанные энергетические характеристики углей через их свойства, как действующих, так и вновь вводимых в эксплуатацию угольных месторождений. Результирующие, наиболее адекватные экспериментальным значениям уравнения множественной регрессии для расчета теплоты сгорания сухого беззольного топлива Qsdaf и низшей теплоты сгорания на рабочее состояние топлива Qiг энергетических углей основных угольных бассейнов РФ имеют вид:
Qsdaf = 21,4534 - 0,3192^0)2 - 0,3494Wtг + 0,18660“,
Qiг = 17,6293 - 7,6524р - 0,1795А<1 + 0,2423С" .
Установленные в результате моделирования взаимосвязи между высшей теплотой сгорания сухого беззольного топлива и физическими, технологическими свойствами и характеристиками химического состава углей показаны на рис. 1.
Разработанные модели для расчета и прогноза Qsdaf и Qiг для углей рассмотренных марок практически функционально связывают указанные энергетические характеристики с соответствующими свойствами угля, набор которых характеризует марку энергетических углей. Это позволяет предложить их классификацию, учитывающую связь степени их метаморфизма с указанными характеристиками.
Для оценки энергетической ценности топлив, в отечественной и мировой практике используются различные тепловые эквиваленты, являющиеся производными от теплоты сгорания горючей массы, среди которых наибольшее распространение получил калорийный эквивалент Эк, который равен отношению низшей теплоты сгорания на рабочее состояние топлива к теплоте сгорания условного топлива, равной 29,302 МДж/кг.
Эк = Qiг/29,302
Хотя на значение Эк влияет зольность отдельных фракций плотности угля, они не дают возможности судить об обогатимости углей, потенциале их облагораживания. Вместе с тем, применяемые в практике углеобогащения критерии оценки обогатимости и, в частности показатель предельной обогатимости Т<1500 не позволяют делать количественных оценок энергетической ценности отдельных фракций плотности.
Ранее на основании критерия Топоркова - Панченко, ранее, был выполнен анализ возможного отнесения тех или иных марок энергетических углей к одной из категорий их облагораживания. Было установлено, что энергетические угли, для которых Т<1500>12.0 в своем большинстве не требуют облагораживания по зольности.
Такие угли были отнесены к категории благоприятных по обогатимости углям (категория БО). Энергетические угли, для которых 1,0< Т<1500<6,0, требуют глубокого обогащения и отнесены к категории особо сложных по обогати-мости углям (ОСО). Энергетические угли с промежуточным значение 6,0< Т<1500<12,0 (категория сложных по обогати-мости углей СО) может обогащаться по схемам с выделением промежуточного продукта.
Был выполнен сопоставительный анализ соответствия установленных в работе категорий обогатимости углей и их энергетической ценности.
Установленная независимость энергетических характеристик энергетических углей от показателя их предельной обогатимости, позволила предложить обобщенный критерий, учитывающий как обогатимость, так и энергетическую ценность энергетических углей.
Таким критерием может явиться величина, равная произведению двух независимых между собой характеристик, отражающих как энергетическую ценность, так и обогати-мость энергетических углей.
Данный критерий получил название «Эквивалент энергетической ценности угля » (Эц), и представляет собой произведение показателя предельной обогатимости рабочей массы угля Тк на калорийный эквивалент Эк (таблица).
Эц = ТкЭк = ТАГ/29,302.
Взаимосвязь между эквивалентом энергетической ценности, и показателем предельной обогатимости энергетических углей категорий БО, СО и ОСО представлена на рис. 2.
Эквивалент энергетической ценности энергетических углей Эц однозначно характеризует как энергетическую ценность, так и обогатимость групп углей, например:
Группа Подгруппа Эц Предельная обогатимость, Тк Теплота сгорания Оіг, МДж/кг
1 А - высоко- > 10 > 12 > 24
благо- энергетические 8,5 -10 > 12 4 2 - 8
приятные Б -низкоэнергетические
2 А - высоко- 0 7 т, 8, 6 1 2 ,5 6, 2 1 ,5 2, 2
слож-ные энергетические Б -низкоэнергетические 6 - 8,5 6 - 12 18,3 - 21,9
3 А - высоко- 3 - 6 < 6 20,8 - 25,0
особо энергетические < 3 < 6 < 18,1
слож-ные Б -низкоэнергетические
Рис. 1. Взаимосвязь между физическими свойствами, технологическими свойствами и химическим составом энергетических углей с высшей теплотой сгорания горючей массы Qdaf для углей марок СС, Д. Ж, и К: одинарные стрелки - факторы, характерные для углей отдельных марок; двойные стрелки - для всех углей
Рис. 2. Взаимосвязь между эквивалентом энергетической ценности и показателем предельной обогатимости углей разных категорий обо-гатимости
Рис. 3. Принципиальная схема технологии глубокого обогащения энергетических углей
• благоприятные по обогатимости, высокоэнергетические угли с Эц >10,00,
• сложные по обогатимости, низкоэнергетические угли с 6,00<Эц<8,50,
• особо сложные по обогатимости, низко энергетические угли с Эц <3,00.
Отсюда можно сделать основной вывод, что для разработки рациональной технологии обогащения энергетических углей необходимо использовать не только традиционные оценки их обогатимости, но и предложенные критерии, сочетающие как обогатимость, так и энергетическую ценность таких углей. Тогда, требования к критериям подбора технологических схем можно подразделить на следующие группы:
• характеристики результатов исследования сырьевой базы и данные их аналитической обработки, включающие ситовый и фракционный анализ, обогатимость, прогнозные показатели селективности и технологии разделения, качественные характеристики для использования в энергетике и утилизация отдельных продуктов (промпродукт, отходы);
• критерии, оказывающие влияние спецификой горного дела, включающие опережающие планы добычи, способ разработки и разубоживание, потери угля, возвращение продуктовой толщи, а так же режимы горных операций, наличие в эксплуатации шахт и оборудования;
• характеристики, налагающие определенные требования при сбыте продукции обогащения, включающие объем производимой продукции, ее характеристики, теплотворную способность, содержание золы, серы, влажность, пластичность, содержание летучих, плавкость золы, ограничения по крупности, размолоспособность.
В результате использования всех критериев и реализации системного подхода к проектированию технологии обогащения энергетических углей по стадиям разработки ТЭО обогатительной фабрики, может быть предложена следующая концептуальная схема глубокого обогащения энергетических углей (рис. 3).
Выводы
• Анализ проблем неконкурентоспособности угольного топлива, используемого на ТЭС, по сравнению с альтернативными жидкими и газообразными, показал, что основной причиной сдерживающей развитие угольной энергетики в Российской федерации является использование низкокалорийных рядовых энергетических углей, валовой добычи.
• Отсутствие научно-обоснованной методологии оценки обогатимости энергетических углей, с учетом требований потребителя к качеству продукции, делает затруднительным прогнозирование показателей обогащения и выхода продуктов обогащения при переработке низкокалорийных энергетических углей, и организации их шихтования. Это приводит к неопределенности при решении вопросов глубины их обогащения.
• Из анализа характеристик углей различных бассейнов следует, что наиболее контрастной энергетической характеристикой является высшая теплота сгорания их горючей массы - Qsdaf, которая отражает предельное энергосодержание углей и функционально связана с Q/.
• С использованием показателя предельной обога-тимости выполнена классификация энергетических углей по их обогатимости с выделением группы благоприятных по обогатимости углей со значениями Тк>12,0, сложных, с
12,0>Тк >6,0, и особо сложных по обогатимости углей, с
6,0>Тк.
• Более благоприятная обогатимость энергетических углей по их энергетической ценности по сравнению с обогатимостью по зольности позволяет увеличить значение
плотности разделения для получения концентратов с энергетической ценностью более 24 МДж/кг и зольностью менее 12% и понизит точность поддержания плотности разделения в гравитационных аппаратах.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Линёв Б.И. — кандидат технических наук, ИОТТ.
П
