Для приготовления моторного суспензионного топлива пригодны каменные и бурые угли с высоким содержанием летучих. Изучены моторные СУТ, созданые на основе воды, метанола и дизельного топлива. Водоугольные суспензии при прочих равных условиях оказались менее вязкими, чем другие, что обеспечивает им хорошее распыление в камере сгорания. Трудно добиться самовоспламенения ВУС. Приходится использовать запальные свечи, подсветку дизельным топливом и другие способы. Наиболее обнадеживающие результаты получены при использовании ВУС в адиабатическом двигателе, в котором подвод горячего воздуха в камеру сгорания компенсирует расход тепла на испарение воды, а высокая температура повышает скорость сгорания угля. Термический КПД двигателя такой же, как при работе на базовом дизельном топливе. Однако свойственная адиабатическому двигателю высокая температура, благоприятная для сгорания угольных частиц, приводит к неполному сгоранию жидких компонентов суспензии, полученной на основе метанола или дизельного топлива.
Содержание оксидов азота в продуктах сгорания ВУС оказалось примерно в 2 раза меньше, чем в продуктах сгорания дизельного топлива. Содержание оксидов серы полностью зависит от их концентрации в исходном угле, т. е. от степени его очистки от минеральных примесей, которая должна быть очень высокой. Содержание пыли в продуктах сгорания ВУС в несколько раз выше, чем в продуктах сжигания дизельного топлива. Необходима специальная очистка выхлопных газов, образующихся при сгорании угля.
В технологии приготовления ВУС (как и пылевидного угля) для двигателей внутреннего сгорания наиболее сложными и дорогостоящими операциями являются тонкое измельчение до частиц микронных размеров и глубокая деминерализация такой дисперсной массы. Для измельчения ВУС (а это наиболее практичная из угольных суспензий) используют мельницы различного типа. Экспериментально и теоретически показано, что для тонкого измельчения, в частности, угля, мельницы высокой энергонапряженности (вибрационные, аттриторы и другие) более экономичны, чем распространенные шаровые барабанные и трубные мельницы [18, 24, 25]. Деминерализация угля для приготовления моторного топлива производится в два этапа. Первый — это физико-химическое обогащение высокоэффективными методами — колонной флотацией или сепарацией в тяжелых средах. Их недостатками являются низкий выход целевого продукта и большие отходы угля. Второй этап — химическая деминерализация угля до зольности менее 2 % при низкой потере угля, однако его стоимость составляет основную долю затрат на производство угольного топлива для двигателей.
Успехи в применении угольных суспензий для ДВС весьма внушительны. В США фирма «Дженерал Электрик» осуществила проект перевода на ВУС среднеоборотного 12цилиндрового дизельного двигателя железнодорожного локомотива мощностью 1, 8 МВт. Проведены длительные (более 600 ч) ходовые испытания и получены его эксплуатационные характеристики. Для приготовления ВУС использован битуминозный уголь, измельченный до частиц размером 5...6 мкм. Степень деминерализации угля варьировали от 0, 7 до 2, 8 % по остаточной зольности. Система впрыска ВУС обеспечивала полноту сгорания угля не ниже 98 %. Измеренный термический КПД дизеля составил 0, 85 КПД двигателя, работающего на дизельном топливе. Создана система очистки и дезактивации выхлопа, эффективность которой по улавливанию твердых частиц равна 99, 5 %, по оксидам серы и азота — 90 %.
Фирмы «Зульцер» и «Купер-Бессемер» провели длительные испытания ВУС в стационарных дизельных двигателях мощностью 1, 4 и 1, 8 МВт. Испытаниями установлена перспективность использования ВУС в дизельных двигателях (при ценах 1997 г. на дизельное топливо и уголь).
Стоимость энергии (США), получаемой использованием ВУС в локомотиве, составляет до 3, 3 дол/ГДж, что значительно выше стоимости энергии сжигания сухого угля — 1, 25... 1, 8 дол/ГДж, но меньше стоимости энергии, получаемой применением дизельного топлива. Затраты на производство энергии в дизельном двигателе, работающем на водоугольном топливе, в настоящее время примерно такие же, как и при использовании мазута. В расчетах затрат (цены 1998 г.) учтены все расходы, включая очистку выбросов (табл. 2).
Таблица 2 - Затраты на производство энергии дизелем, работающем на угольном топливе (средненные данные)
| Статья затрат | Затраты | |
| Цент/(кВт*ч) | % | |
| Капитальные вложения | 1, 21 | 18, 5 |
| Эксплуатация и ремонт | 0, 52 | 8, 0 |
| Уголь с транспортом | 1, 31 | 20, 0 |
| Производство ВУС | 2, 20 | 33, 7 |
| Очистка выбросов | 1, 03 | 15, 7 |
| Транспортирование топлива | 0, 27 | 4, 1 |
| Итого | 6, 54 | 100 |
| Из них: | ||
| топливо | 3, 78 | 57, 8 |
| двигатель | 2, 67 | 42, 2 |
Фирма «Аллисон Газ Турбайн» (отделение корпорации «Дженерал Моторс») произвела успешные испытания ВУС в промышленной газовой турбине мощностью 4, 0 МВт. Использована двухступенчатая схема сжигания. На первой из них применена установка газификации ВУС с очисткой генераторного газа от пыли и вредных примесей. Использована ВУС с содержанием угля 50 %, зольность которого варьировали от 0, 8 до 5, 6 %. Проектная степень очистки генераторного газа составляет 99, 9 % с длительностью рабочего цикла до регенерации фильтров 370 ч. Полнота сгорания топлива в контуре газификации — не менее 96 %. Такая система обеспечивает долговечность работы турбины и ее экологическую безопасность. Аналогичные работы с близкими результатами выполнены фирмами «Амакс» и «Оттиска». Рассчитанная стоимость энергии сжигания угольного топлива в газовых турбинах 3, 0...3, 2 дол/ГДж, что практически совпадает со стоимостью энергии сжигания угольного топлива в дизеле. Экономическую эффективность угольного топлива повышают совершенствованием способов тонкого измельчения и деминерализации угля, а также модернизацией двигателей.
По различным оценкам, удельные расходы на деминерализацию составляют 1, 57...2, 85 дол/ГДж, суммарные удельные затраты на производство энергии с использованием угольного топлива в дизелях и турбинах — 6, 40...6, 85 цента/(кВт*ч). Удельная стоимость производства энергии сжиганием в двигателях нефтетоплива составляет в сопоставимых по времени ценах 3...5 центов/(кВт*ч). В этих расчетных данных учтены прибыль (10%) и амортизационные отчисления (12%).
Резервы снижения затрат на производство энергии с использованием суспензий в двигателях внутреннего сгорания состоят в совершенствовании технологии тонкого измельчения и глубокой деминерализации угля в сочетании с коммерческим использованием продуктов выщелачивания минералов, а также в реконструкции двигателей. По известным данным, использование новейших технологий в этой области делает суспензионное топливо конкурентоспособным с нефтяным (табл. 3). По предварительным подсчетам разработанная авторами механохимическая технология деминерализации до зольности менее 2 % (в сравнительных условных энергоединицах) выгоднее других. К тому же она практически безотходна и экологически безопасна.
Таблица 3 - Относительные затраты, кг/т продукта, на приготовление СУТ из угля, деминерализованного до остаточной зольности 2%
| Вид затрат | Колонная флотация | Маслянная агломерация | Выщелачивание | |
| Автоклавное | Механохимическое | |||
| Измельчение | 159 | 159 | 159 | 159 |
| Износ мельниц | 250 | 250 | 250 | 250 |
| Деминерализация | 500 | 500 | 1000 | 714 |
| Капитальные | 1000 | 1500 | 2000 | 1000 |
| Суммарные | 3273 | 3318 | 3483 | 2172 |
| Относительные | 1 | 1, 01 | 1, 06 | 0, 66 |
ВОДОУГОЛЬНЫЕ СУСПЕНЗИИ ДЛЯ ГАЗОГЕНЕРАТОРОВ И АГРЕГАТОВ С КОМБИНИРОВАННЫМ ПАРОГАЗОВЫМ ЦИКЛОМ
Определены два направления использования суспензий высокой степени очистки и дисперсности в генераторах энергии. Первое из них — прямое сжигание в виде суспензий (рассмотрено ранее), второе — предварительная газификация суспензии с последующим сжиганием генераторного газа в газовых турбинах и реализация избыточной тепловой энергии газогенератора в виде перегретого пара в паровой турбине. Это направление получило развитие в энергоустановках комбинированного парогазового цикла. Перспективность использования ВУС в газогенераторах сводится к возможности подавать суспензию в реактор насосами высокого давления. Это делает процесс загрузки газогенераторов непрерывным и избавляет их от сложных в эксплуатации на сухом топливе шлюзовых камер, затворов и питателей, обеспечивающих их работу в периодическом режиме при высоких давлении и температуре. Часть входящей в ВУС воды (примерно половина) в газогенераторах полезно расходуется на образование водорода и оксида углерода в результате диссоциации при высоких температуре и давлении. Воду (15 % массы угля) подают и в обычные газогенераторы, работающие на угле влажностью 10...15%. Такое использование содержащейся в ВУС воды исключает затраты энергии на ее испарение при прямом сжигании суспензий.