Водоугольные суспензии в энергетике (стр. 3 из 6)

Нерентабельность ВУТ для угольных ТЭС и тепловых котельных следовало считать вполне ожидаемой. Затраты на приготовление и сжигание ВУТ по жидкостной схеме значительно превосходят затраты при слоевом и пылеугольном сжигании. В реальных условиях тепловые котельные необходимо было дооснастить установками приготовления, хранения и топливоподачи суспензии. Для этого нужны капитальные вложения и дополнительные производственные площади. Топливные тракты и форсунки также необходимо модернизировать.

Промышленная установка производства ВУТ в оптимальном по затратам ее варианте представляет собой помольный модуль, в который входят: дробилка и мельница с системой подачи и дозирования угля, система обеспыливания с рукавным фильтром и эксгаустером, циклоны для готовой угольной пыли и смесители для приготовления суспензии (рис. 4). Далее расположены устройство отбора готовой суспензии с металлоуловителем, пульповые насосы со смесителем и промежуточная емкость для готовой суспензии, второй насос подачи суспензии в форсунки. Для обеспечения факельного горения ВУТ необходимы форсунки, которые должны быть существенно более износостойкими, чем горелки, работающие на сухом угле.

Рисунок 4 - Схема технологической линии приготовления ВУС с частичным обогащением угля. Расчетная производительность линии 400...500 т/ч. С - склад угля; Д - молотковая дробилка; К - классификатор; Ц - циклон; Ф - фильтр; В - вентилятор; СМ - среднеходная мельница; МТ - трубная мельница; ХД - резервуар для химической добавки; Ш - шнековый смеситель; М - лопастный смеситель; Б - хранилище суспензии; О - отходы углеобогащения; УВ - углевоздушный поток; У - уголь; ВО - воздушный поток; Г - топочный газ; БУ - блок утилизации отходов

На сухое измельчение угля до крупности, характеризуемой остатком на сите с ячейками размером 250 мкм менее 5 %, в современных молотковых и среднеходных мельницах затрачивается электроэнергии 12...15 кВт*ч/т. Затраты, обусловленные износом металла мелющих тел, не превышают затраты на электроэнергию. Восстановительная атмосфера практически исключает химическую коррозию.

Затраты электроэнергии на приготовление ВУТ по наиболее примитивной (и потому наиболее применяемой) схеме (измельчение угля в составе суспензии) значительно превышают соответствующие затраты на сухое пылеприготовление до равной дисперсности. Они составляют не менее 25 кВт*ч/т. Обусловлено это высокой вязкостью суспензии, в которой затруднены движения мелющих тел и разрушение частиц угля. Механический и коррозионный износы мелющих тел в 3...5 раз (в зависимости от марки стали) превышают таковые при сухом измельчении.

Приведенные затраты электроэнергии и металла относятся к технологии, в которой не предусмотрено транспортирования ВУТ по трубам. Для оптимизации вязкости и концентрации ВУТ, предназначенного для транспортирования, необходимо примерно треть угля измельчать до частиц менее 60 мкм, что в 3 раза повышает затраты на его приготовление. Для стабилизации применяют ПАВ, стоимость которых по удельному расходу сопоставима со стоимостью угля.

При прямом приготовлении суспензий затрачиваемая мельницей электроэнергия (25 кВт*ч/т) трансформируется в тепло и расходуется в основном на испарение содержащейся в ВУТ воды. Согласно расчетам и экспериментальным данным, в процессе приготовления на 1 т ВУТ испаряется примерно 15 кг воды. При производительности мельницы, например, 3 т/ч за 1 ч ее работы испаряется 45 кг воды, за 1 сут — 1 т. Для предотвращения конденсации пара в помещении помольную установку необходимо оборудовать пароотводящей системой. В противоположность этому в машинах сухого пылеприготовления механическая энергия измельчения вместе с теплом подводимых к ним топочных газов полезно используется для подсушки угля. Пар удаляется системой аспирации помольной установки.

Расходы на приготовление ВУТ по примитивно схеме (не считая стоимости входящей в него воды) несколько раз превышают расходы на пылеприготовление угля равной дисперсности (мельницы сухого измельчения работают с воздушной сепарацией частей по размерам, что почти в 2 раза снижает затраты энергии; износ мельниц сухого помола в несколько раз меньше). Они составляют не менее 12 % стоимости угля и существенную долю стоимости получаемой электроэнергии. Если ВУТ предназначено для транспортирования по трубам, затраты на его приготовление значительно увеличиваются. Процессу горения неизбежно предшествует полное испарение воды. Согласно теплотехническим расчетам при сжигании ВУТ на испарение воды затрачивается примерно 5 % входящего ВУТ угля (1 % на каждые 10 % воды). В соответствии с полученными во ВТИ экспериментальными данным при сжигании ВУТ температура горения примерно 150 °С ниже, механический и химический недожог минимум на 2...3% больше, КПД котла на 2...5 меньше, чем при сжигании пылеугольного топлива.

По изложенным причинам в производстве энергии4 технология ВУТ значительно уступает пылеугольной по капитальным и эксплуатационным затратам.

Экологические преимущества ВУТ, на которые принято ссылаться, сомнительны и недостаточно обоснованы. Атмосферные выбросы (кроме оксидов азота как и состав золы и шлака, определяются химическим составом минеральных включений в угле и полноте его выгорания. Они не могут быть уменьшены добавлением к углю воды. Механохимические эффекты при столь грубом (как для получения ВУТ) измельчении не проявляются [18, 20]. По этим причинам приписывание ВУТ некоторых не свойственных углю особых свойств (более высокая теплота и полнота сгорания, снижение температуры воспламенения, уменьшение выбросов оксидов серы и углерода) следует отнести к разряду технической мистификации.

В экспериментах получено снижение выбросов оксидов азота примерно в 2 раза. Этот факт является следствием понижения температуры факела, обусловленного затратами тепла на испарение воды. К такому же результату приводит и простое добавление воды в факел горения сухого угля. Однако уменьшение температуры факела понижает устойчивость горения и неизбежно приводит к снижению КПД тепловых агрегатов.

СУСПЕНЗИОННОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ МАЗУТНЫХ ТЭС И КОТЕЛЬНЫХ

Два обстоятельства определяют актуальность использования ВУС для мазутных ТЭС. Первое из них диктуется стратегическими интересами стран, энергетика которых (например Японии) базируется в основном на нефтяных топливах, второе — экономическими задачами. Цены на мазут в связи с увеличением глубины переработки нефти и увеличением выхода легких фракций растут даже при относительной стабильности цен на нефть. В настоящее время цены на мазут превышают цены на сырую нефть.

Использование суспензий из угля обычной зольности (10... 12 % и более) на мазутных ТЭС и в котельных сопряжено с необходимостью их оснащения системами золо и шлакоудаления, подобными тем, которые применяют на угольных ТЭС. Однако если зольность суспензий не превышает 5 %, системы пылеулавливания мазутных ТЭС нуждаются лишь в сравнительно небольшой модернизации. Обогащение угля до такой зольности, как известно, не требует применения дорогостоящих методов химической деминерализации или масляной агломерации. Для обогащения угля до зольности 5 % пригодны технология осаждения в циклонах с тяжелыми средами и колонная флотация.

Водоугольные суспензии как замену части мазута в промышленном масштабе применяют на ТЭС и в тепловых котельных. Особенно показательны успехи Японии. Первой фирмой, разработавшей промышленную технологию производства и утилизации угольномазутных суспензий, стала корпорация «Мицубиси». С 1985 г. такое топливо используют в двух энергоустановках мощностью 265 МВт каждая. На ВУС работает пилотная ТЭС мощностью 7, 5 МВт при расходе топлива 3, 2 т/ч. Агрегаты мощностью 60 и 100 МВт потребляют ВУС до 21 т/ч. На некоторых приморских ТЭС были модернизированы системы сжигания и золоудаления, что позволяет использовать водоугольное топливо в промышленном масштабе. Суспензию сжигают совместно с мазутом, как правило, ночью или во время значительного снижения нагрузок.

Построены и функционируют опытнопромышленные установки производства ВУС, предназначенные для замены мазута, в США, Италии, Швеции, Германии, Китае.

СУСПЕНЗИОННОЕ УГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Тепловые генераторы ТЭС и котельных являются двухконтурными. Тепловая энергия продуктов сжигания топлива передается рабочему телу (водяному пару) через теплообменные стенки, отделяющие топливные камеры от контура парообразования. Напротив, в двигателях внутреннего сгорания продукты сжигания, а с ними и водяной пар являются совокупным рабочим телом в едином для них объеме камеры. Часть тепла, выделяющегося при сжигании топлива, расходуется на испарение воды, что облегчает охлаждение двигателя. Поэтому использование ВУС в двигателях внутреннего сгорания по совокупному тепловому эффекту экономически перспективнее, чем в двухконтурных тепловых агрегатах.

Для ДВС наиболее важны хорошее распыление топлива и минимальный износ рабочих поверхностей. Эти две задачи и составляют основные направления технических и технологических разработок в области создания угольного моторного топлива и модернизации двигателей.

Экономическая актуальность применения СУТ для дизелей и газовых турбин определяется тем, что они имеют, в основном, транспортное назначение, а транспорт потребляет примерно половину добываемых на Земле энергоресурсов — практически все светлые производные нефти и часть природного газа. При этом транспорт является и основным производителем загрязняющих атмосферу токсичных выбросов. Необходимо решить обе задачи — уменьшить расход нефтепродуктов и снизить выбросы токсичных продуктов сгорания (оксидов серы и азота, а также бенз(а)пиренов и асфальтенов). Для практической реализации СУТ для ДВС необходимо разработать достаточно экономичные процессы глубокой деминерализация угля и его сверхтонкого измельчения, обеспечить условия полноценного сжигания угольных суспензий с минимизацией износа деталей двигателя. Необходимо найти технологические средства нейтрализации или улавливания выбросов, образующихся при сжигании угольного топлива. Попытки использовать угольное топливо в дизелях имеют давнюю историю. Первые опыты с пылевидным углем были выполнены О. Дизелем в 1892 г. Работы этого направления продолжали в Германии до 1945 г. Они были прекращены из-за технических трудностей глубокой деминерализации угля, обеспечения полноты сжигания и большого износа двигателей. Исследования применения угольного топлива для двигателей были возобновлены в США в 1975 г. Работы последних лет [21—24] привели к достижениям как в технологии приготовления топливных суспензий с требуемыми для двигателей свойствами, так и в модернизации двигателей для сжигания в них угольного топлива вместо нефтяного. К настоящему времени созданы двигатели и технологии приготовления СУТ, которые делают рентабельным их коммерческое использование в условиях очень высоких цен на нефть.