Водоугольные суспензии в энергетике (стр. 2 из 6)

Зависимость вязкости угольных суспензий от содержания в них твердой фазы подробно изучена. На нее влияют степень гидрофобности угля, количество в нем и состав минеральных примесей — глины. Вязкость суспензии можно в значительной мере уменьшить химическими реагентами (ПАВ) — сочетанием дисперсантов и стабилизаторов (рис. 2), а также подбором гранулометрического состава угольных частиц (рис. 3). Оба этих приема обременительны по затратам — они могут составлять значительную часть стоимости суспензии, сопоставимую со стоимостью угля.

Рисунок 2 - Зависимость эффективности вязкости ВУС из угля двух фракций [крупной (к) размером 250...125 и мелкой (м) размером 60...0 мкм] от содержания в ней дисперсанта (а) и стабилизатора (б). Стрелками указан порог седиментационной стабильности. 1 - содержание угля С = 63 %, соотношение фракций к/м = 60/40; 2 - С = 63, 5 %, к/м = 63, 4/36, 6; 3 - С = 66 %, к/м = 50/50; 4 - С = 63, 5 %, к/м = 66, 7/33, 3

Рисунок 3 - Влияние доли тонкой фракции (менее 60 мкм) на эффективную вязкость ВУС с содержанием угля С = 63, 5 %. 1 и 2 - крупная фракция (125...259 мкм): 1 - свежеприготовленная, 2 - она же через 7 сут; 3 - крупная фракция (125...250 мкм) с 5% частиц менее 125 мкм

Большим содержанием воды в суспензии обусловлены дополнительные затраты на ее транспортирование вместе с углем, а затем — на испарение в процессе сжигания. Согласно расчетам на каждые 10% воды расходуется 1 % угля. Преимущество же ВУС по сравнению с углеводородным топливом состоит в ее взрыво- и пожаробезопасности на всех технологических стадиях приготовления и транспортирования. Кроме того, технологии приготовления ВУС хорошо сопрягаются с процессами обогащения и деминерализации угля — исключают необходимость обезвоживания угля по их завершении, что отчасти компенсирует затраты на испарение воды, содержащейся в ВУС, и на транспортирование ее вместе с углем.

Суспензионные технологии предотвращают пыление и окисление, свойственные рядовому углю при его транспортировании и хранении. Потери угля в этих процессах в зависимости от условий, способа и дальности доставки составляют 3...5 % его массы и в совокупности с потерями при разгрузке и складировании являются заметной статьей расходов при расчете стоимости получаемой при его сжигании энергии. Кроме того, распыление угля загрязняет местность вдоль пути его транспортирования и окрестности складирования.

Технологические свойства топливных водных угольных суспензий (как и всяких других) определяется следующими параметрами:

содержанием твердой фазы (угля);

дисперсностью твердой фазы (гранулометрический состав и удельная поверхность угля с минеральными примесями);

вязкостью и ее зависимостью от скорости и температуры транспортирования;

стабильностью — динамической (при транспортировании по трубам и в танкерах) и статической (в резервуарах);

составом, свойствами и необходимым содержанием химических добавок — ПАВ (стабилизаторов и дисперсантов);

содержанием и составом минеральных примесей, включая такие экологически вредные, как соединениясеры и другие токсичные вещества.

Непременным элементом технологии приготовления ВУС является измельчение угля в мельницах различного типа и энергонапряженности. Обычно ВУС готовят непосредственно в процессе измельчения угля, когда мельницу используют и как смеситель суспензии. Однако более экономичны схемы приготовления ВУС в два этапа, когда уголь измельчают по технологии пылеприготовления, а смешивают его с водой в смесителе. Иногда (например, в терминале Белово-Новосибирск) для минимизации вязкости суспензию измельчают в шаровой и стержневой мельницах (уголь бимодального гранулометрического состава). Процесс приготовления ВУС завершается в дополнительном смесителе. Степень измельчения угля зависит от назначения и условий использования суспензий. Дисперсность суспензий, предназначенных заменить углеводородное топливо в двигателях внутреннего сгорания, должна быть значительно большей, чем суспензий, применяемых на ТЭС вместо мазута. Верхний предел размеров частиц угля для каждого способа использования суспензии устанавливают исходя из условий минимальных механического недожога и расходов на диспергирование. Вязкость суспензии должна быть наименьшей при наибольшей стабильности и минимальных затратах на тонкое измельчение. Затраты приготовление (измельчение и смешение) в сумм расходами на ПАВ в значительной мере определяет стоимость и экономическую конкурентоспособное угольных суспензий с другими видами топлива.

Основное качество ВУС при прочих одинаковых свойствах угля (теплота сгорания, зольность, минералогический состав и исходная влажность) и одинаковых затратах на приготовление определяют ее реолгические характеристики (вязкость и стабильность, которые зависят от многих факторов. К их числу относятся свойства дисперсионной среды, состав, плотность и содержание дисперсной фазы, ее гранулометрический состав, лиофобно-лиофильный баланс по поверхности раздела фаз, энергия их поверхностность взаимодействия. Для улучшения технологических характеристик ВУС, а также для повышения качеств распыления при сжигании в них добавляют (как правило) поверхностно-активные вещества, которые могут быть введены на стадии измельчения или смешивания. Существенны молекулярная структура ПАВ их содержание в суспензии.

Суспензия является метастабильной коллоидной системой. Устойчивость к выпадению в осадок твердой фазы определяется физико-химическими свойства ми угольных частиц — образованием в суспензии пространственного каркаса. Однако даже хорошо стабилизированные суспензии расслаиваются в течение нескольких дней. Образуется плотный осадок, который вернуть во взвешенное состояние можно только интенсивным перемешиванием. Гомогенизация — непременный элемент приготовления ВУТ, предназначенного для транспортирования. Затраты электроэнергии на приготовление ВУТ в терминале Белово-Новосибирск составляли 72 кВт*ч/т, из которых 14 кВт*ч/т затрачены на гомогенизацию. Расходы на ПАВ в том же комплексе в 3 раза превышали стоимость электроэнергии. В сумме они превышали стоимость угля в районе его добычи.

Оптимальные (по затратам электроэнергии на приготовление) параметры ВУС, предназначенных для различных областей использования, приведены в табл. 1. Обогащение рядового угля следует считать желательным для всех видов ВУС и во всех случаях их применения. Моторное топливо для ДВС изготавливают из угля, обогащенного и деминерализованного до остаточной зольности не более 2 %. В суммарном балансе стоимости энергии некоторые параметры противостоят один другому. Так, увеличение дисперсности угля повышает стабильность суспензий и облегчает их сжигание. Вместе с тем с повышением дисперсности угля увеличиваются затраты на измельчение, растет вязкость суспензий (при одинаковых содержании в них угля, составе и содержании ПАВ) и, следовательно, растут транспортные расходы и затраты на ПАВ. Для экономики производства, транспортирования и сжигания СУТ содержание в нем угля является одним из решающих факторов — особенно для транспортирования и эффективности сжигания водных суспензий.

Таблица 1 - Оптимальные параметры ВУС

Параметр	Области применения
	Угольные ТЭС	Мазутные ТЭС	Котельные	ДВС	Газогенераторы
Содержание угля, % (по массе)	60...70	60...70	62...65	48...54	50...65
Вязкость, Па*с, при 100 c-1, не более	1, 0	1, 0	0, 5	0, 3	1, 2
Содержание серы в сухом угле, % (по массе), не более	1, 2	1, 2	0, 8	0, 6	1, 0
Средняя теплота сгорания, кДж/кг	21000	21000	21000	14600	18800
Зольность угля, % (по массе)	> 12	3...5	2...6	0, 5...1, 0	> 12
Размер частиц, мкм, не более	250	150	45	25	200
Стабильность, сут, не менее	120	120	180	10	10

Значительной экономической составляющей суспензионных технологий являются затраты на модернизацию энергетических установок. Неизбежность модернизации и усложнения двигателей внутреннего сгорания обусловлена сравнительно высокой абразивностью твердого топлива, более низкими, чем для нефтетоплива и газа, воспламеняемостью и скоростью горения. Износ уменьшается, а вследствие этого срок службы энергоагрегатов, переводимых на ВУС, увеличивается с повышением дисперсности угля и с уменьшением содержания в нем минеральных примесей. Мазутные ТЭС при зольности угля более 5 % необходимо оборудовать системами золоудаления. К настоящему времени на основании анализа большой совокупности исследований [5—17] можно считать определившимися оптимальные технические характеристики ВУС по видам их использования (см. табл. 1). При этом нашли отражение технологические, экономические и экологические факторы процессов приготовления и использования ВУС. Разумеется, эти характеристики соответствуют только современному уровню технологий. По мере их развития, например, в результате промышленного использования более износостойких и жаропрочных металлов и композитных материалов оптимальные по экономическому показателю технические свойства ВУС будут меняться, и замена нефтепродуктов суспензионным угольным топливом станет все более выгодной.

ВОДОУГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО ВМЕСТО УГЛЯ

Промышленное использование ВУТ в тепловых котельных, спроектированных для сжигания угля, как и применение шламовых суспензий, оказалось экономически и технически неэффективным3. Работы этого направления проводили в России. В настоящее время они прекращены, построенные установки после недолгой работы по их отладке демонтированы.