Водоугольное топливо

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 27 июня 2012.

Проверить нейтральность. На странице обсуждения должны быть подробности.

Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей.

Водоугольное топливо (ВУТ)представляет собой смесь (суспензию) из мелкоизмельчённого (размер частиц не должен превышать 200 мкм) угля и воды. Так как эта смесь довольно быстро расслаивается с осаждением угольных частиц, в нее обычно добавляют пластификатор, массовая доля которого в топливе составляет около 1%. В этом виде ВУТ может храниться, перевозиться в автомобильных и железнодорожных цистернах или перекачиваться по трубопроводам. В ряде случаев в состав суспензии могут быть включены различные добавки (ПАВ, стабилизаторы и т. д.), изменяющие стабильность, вязкость или иные свойства ВУТ. ВУТ может использоваться в качестве замены мазута, газа и угля. При сжигании ВУТ происходит газификация содержащегося в нем угля с образованием синтез-газа, который вступает в реакцию с продуктами разложения воды (водород и кислород) при температурах свыше 900 градусов. Благодаря этому достигается почти полное сгорание топлива (до 98%).^{[источник не указан 15 дней]} Основные преимущества ВУТ состоят в снижении топливных затрат по сравнению с мазутом и газом, снижении вредных выбросов, прежде всего NO_x, а также технологическом удобстве использования угля в жидкой форме.<--АИ?-->

Введение

Производство и состав ВУТ

Водоугольное топливо (ВУТ) является частным случаем водоугольной суспензии (ВУС). Согласно классификации, которая установлена Национальными стандартами водоугольного топлива в Китае^[1], при производстве ВУТ важно добиться фракции измельченного угля до 75 мкм. Содержание частиц с фракцией свыше 300 мкм допускается незначительно, в зависимости от класса топлива. При работе на топливе с высоким содержанием крупной фракции значительно возрастает износ деталей и процент механического недожога при сжигании. Предпочтительно использование молодых сортов углей, с высоким содержанием летучих. Это могут быть угли Г, Д, СС, в некоторых случаях - бурые. Также, классификация регламентирует основные характеристики водоугольных суспензий, допустимых для использования: процентное отношение угля, воды и реагента в смеси; вязкость топлива; содержание золы, серы, летучих.

Другую технологию с использованием прямоточного секционированного аппарата многократной инверсии фаз и импульсным вводом перегретого водяного пара в каждую секцию предложил профессор Украинского государственного химико-технологического университета Вильям Задорский^[кто?]. По его словам, применение этого метода обеспечивает снижение затрат энергии и достижение высокой степени гомогенизации суспензии.

Области применения

Водоугольное топливо применяется в качестве замены газа и/или мазута на котельных и тепловых агрегатов ТЭС. ВУТ используется в качестве экологически чистого и недорогого источника тепловой энергии.

История ВУТ

История ВУТ в СССР начинается с 1959 года, когда приказом Совета Министров были начаты разработки по внедрению ВУТ. В начале 70-х годов в результате мирового нефтяного кризиса разработки ВУТ начались в Японии, США, Италии. Однако после стабилизации цен на нефть в 80-х годах эти разработки существенно замедлились. Новая волна разработок в области ВУТ началась в начале 90-х годов.

В СССР в 1989 году под руководством ФГУП «Гидротрубопровод» был разработан и построен углепровод Белово-Новосибирск протяжённостью 262 км^[2]. Водоугольное топливо производилось на обогатительной фабрике в Белово, после чего транспортировалось по углепроводу до Новосибирской ТЭЦ-5, где успешно сжигалось. Опыт эксплуатации Новосибирской ТЭЦ-5 показал техническую эффективность применения ВУТ на газомазутных котлах в качестве замены мазуту. В 1993 году в результате наступивших в России экономических и политических перемен углепровод был заморожен. В частности, российской компанией «Альматеа» в 2009 г. был создан гидроударный узел мокрого помола, позволяющий получить за один проход гомогенную суспензию с заданными характеристиками. Как сообщается на веб-сайте vodougol.ru, при использовании этого способа 90% получаемых угольных частиц имеют размер менее 50 мкм. Установка мощностью 48,5 кВт производит 5,5 т водно-угольной суспензии в час. Технология ВУТ начала возрождаться в России только с 2004 года в связи с началом строительства ряда объектов, позволяющих заменить мазут на ВУТ. Развитие технологии в РФ начиная с 2004 года происходит только при поддержке частного капитала.

Преимущества ВУТ

Экономичность ВУТ

Экономическая эффективность ВУТ по сравнению с мазутом была показана ещё в 1993 году при сравнительно невысоких ценах на нефть.

Применение ВУТ позволяет:

• снизить стоимость 1 тонны условного топлива (1 тут) в 1,05—5,0 раз в зависимости от замещаемого топлива и сырья, используемого для приготовления ВУТ; ^[3][4]
• уменьшить эксплуатационные затраты при хранении, транспортировании и сжигании на 20—30 %.

Экологичность ВУТ

Зола от сжигания ВУТ

Благодаря практически полному выгоранию частиц угля в ВУТ вредные газообразные выбросы в атмосферу минимальны и сопоставимы с выбросами при сжигании газа.

Основной экологический эффект использования ВУТ по сравнению с углём состоит в снижении выбросов оксидов азота (NO_x) и оксидов серы (SO_x). Также проведённые анализы показывают, что зола от сжигания ВУТ имеет вспученный характер и применяется в строительстве^[5], ^[6].

• соответствует классу безопасных веществ, не содержит агрессивные и вредные компоненты;
• при случайном разливе не загрязняет окружающую среду.

ФГУП Гидротрубопровод в 1990-х годах была предложена идея деминерализации ВУТ до содержания золы в нём около 1%. Однако полученный продукт не нашёл широкого применения в силу того, что понижение зольности угля является дорогостоящей процедурой, сводящей на нет экономические преимущества ВУТ.

Технологичность

• ВУТ не пожароопасно.
• ВУТ не взрывоопасно.
• ВУТ можно хранить и транспортировать в обычных мазутных цистернах.
• Для хранения ВУТ не требуется нагрев до 70 градусов, как это требуется для мазута. Достаточно поддержание положительной температуры.
• Большинство газомазутных котлов могут быть переведены на ВУТ. В угольных котлах переход на ВУТ, как правило, ещё проще.

На энергетических котлах:

• снижает шлакообразование (за счёт снижения температуры факела и «разрыва» минеральной части угля);
• увеличивает диапазон регулирования котла;
• снижает зависимость режимов работы котла от марок исходного угля.

Автономность

• ВУТ может быть основным топливом в негазифицированных районах
• Для приготовления ВУТ может быть использован практически любой уголь. То есть, большинство местных углей.

Особенности ВУТ по сравнению с углём

В период активных исследований сжигания водоугольного топлива в период СССР (в том числе на Новосибирской ТЭЦ-5) было установлено, что воспламенение угля в составе водоугольного топлива происходит при более низкой температуре. Например, угли с высоким содержанием летучих (марки Г, Д) воспламеняются при температурах около 450 градусов вместо 650. Угли с низким содержанием летучих (антрациты) воспламеняются при температуре около 650 градусов вместо 950 . Более низкая температура воспламенения позволяет эффективно поддерживать горение угля в топке по сравнению с традиционным пылеугольным сжиганием, где используется подсветка газом и/или мазутом до 10÷15 %. Более низкая температура горения антрацитов позволяет их эффективно использовать в энергетических котлах без угрозы шлакования, возникающего из-за плавления золы в факеле.

Ограничения применимости ВУТ

Наличие влаги

Совершенно очевидно, что влага, которая может составлять до 40% ВУТ, является балластом и часть энергии от сгорания угля тратится на энергию фазового перехода воды из жидкого состояния в газообразное. Точное значение затраченной энергии нужно считать исходя из теплотворной способности угля. Для углей большинства марок можно считать, что на каждые 10% влаги тратится 1% теплотворной способности угля. Важно отметить, что при сравнении угля и ВУТ необходимо сравнивать влажность ВУТ и влажность исходного угля, которая может составлять до 25%. Например, если исходный уголь имеет влагу 15%, а полученное ВУТ имеет влажность 38%, то дополнительно требуется испарить 38% - 15% = 23% влаги. Несмотря на свою очевидность, этот факт очень часто игнорируется при проведении предварительных расчётов.

Стабильность ВУТ

Типовое ВУТ, полученное на большинстве установок, сохраняет свою стабильность (не расслаивается) в течение суток-двух. Современное оборудование позволяет поднять эту стабильность до недели-двух, и даже до года без применения дополнительных присадок-стабилизаторов. Ограниченная стабильность вынуждает использовать добавки-пластификаторы или специальные способы обработки, когда необходимо увеличить срок хранения ВУТ, что, очевидно, удорожает само топливо. Выходом из данной ситуации является приготовление ВУТ на компактных установках, ближе к моменту потребления. Такой подход позволяет иметь сменный или суточный запас ВУТ в непосредственной близости от потребителя. Основной запас топлива в этом случае обеспечивается за счёт запасов исходного угля.

Абразивный износ форсунок

На первых стадиях применения ВУТ имел место высокий абразивный износ форсунок для сжигания ВУТ. Например, на Новосибирской ТЭЦ-5 первые форсунки служили не более 40 часов. В современных условиях эти вопросы решены, вплоть до выпуска серийных горелочных устройств для ВУТ, прежде всего китайского производства.

Приготовление ВУТ

Классический способ приготовления ВУТ состоит из трёх основных стадий:

1. Дробление рядового угля до грансостава 10..20 мм;
2. Мокрый помол угля (в присутствии воды);
3. Гомогенизация, хранение.

Для дробления угля на первой стадии используются стандартные дробилки: молотковые, щёковые и др. Выбор дробилок осуществляется в зависимости от типа угля, его характеристик: влажность, зольность, твёрдость.

Приготовление в вибромельницах

Вибромельницы для приготовления ВУТ (2* 1,5 т/ч)

Для мокрого помола (вторая стадия) чаще всего использовались вибромельницы различных конструкций. В качестве мелющих тел в вибромельницах используются шары диаметром 20—50 мм. Выбор диаметра шаров определяет грансостав ВУТ на выходе мельницы. Практика использования вибромельниц показала, что для достижения проектных значений грансостава и влажности ВУТ на выходе вибромельницы обязательно должен быть установлен классификатор для разделени продукта помола на готовый (с грансоставом менее заданного) и требующий повторного помола. Таким образом, приготовление ВУТ в вибромельницах, как правило, реализует замкнутый цикл помола.

Дополнительно, к мокрому помолу в вибромельницах целесообразно применение дополнительных гомогенизаторов. Энергозатраты на приготловление ВУТ в вибромельницах составляют обычно от 55 кВт*ч/т, без учёта рециркуляций продукта.

В качестве примера можем привести объект в г. Свердловск (Луганская Обл., Украина),где местной компанией была запущена установка приготовления и сжигания водоугольного топлива на промышленном объекте - сушке технологических углей. На съемках видно, как устроен цех. Система приготовления и сжигания контролируется автоматикой, потребности в рабочей силе минимальны.

Приготовление в ГУУМП

В 2009 году группой компаний Амальтеа был разработан и успешно протестирован Гидроударный Узел Мокрого Помола (ГУУМП), реализующий открытый цикл приготовления ВУТ с заданными характеристиками. Приготовление ВУТ в ГУУМП осуществляется за один проход. Одновременно с мокрым помолом в ГУУМП осуществляется гомогенизация суспензии. Энергозатраты на приготловление ВУТ в ГУУМП составляют 8…10 кВт*ч/т, при этом рециркуляция продукта не требуется.

Стабильность ВУТ

ГУУМП позволяет получить водоугольное топливо, стабильное на протяжении не менее 3..5 суток без применения добавок-пластификаторов, что существенно упрощает технологию приготовления ВУТ. Данная стабильность вполне достаточна для большинства применений ВУТ. При необходимости длительного хранения ВУТ (например, для транспортировки) возможно применение пластификаторов. Также поддержание стабильности ВУТ возможно путём периодической рециркуляции в ёмкостях хранения ВУТ.

Сжигание ВУТ

Теория горения ВУТ

Неправильно считать, что ВУТ горит после того, как из его состава испарится вода, входящая в его состав. Горение ВУТ состоит из нескольких стадий. На первой стадии, помимо испарения воды, имеют место гетерогенные реакции, приводящие к частичной газификации ВУТ с образованием CO и Н₂, то есть синтезгаз. При температурах около 900 °C вода разлагается на ионы H⁺ и OH⁻, создавая, таким образом, условия для гетерогенных реакций. Именно данные реакции приводят к снижению температуры воспламенения ВУТ по сравнению с исходным углём (см.выше). В зависимости от выбранного способа сжигания ВУТ доля образования синтезгаза может увеличиваться или уменьшаться. На сегодня можно выделить два основных способа горения ВУТ: факельное (камерное) и в кипящем слое.

Факельное сжигание

Горение ВУТ в вихревой топке мазутного котла ДКВР-6,5-13, модернизированного для сжигания ВУТ. Пос. Ёнский Мурманской обл.

Факельное (камерное) сжигание является на сегодня основным способом сжигания ВУТ, особенно в котлах средней и большой мощности. Геометрия котлов, как правило, позволяет организовать факел внутри камеры сгорания таким образом, чтобы частицы угля, входящие в состав ВУТ, могли полностью прогореть.

Как показывает практика горения ВУТ, воспламенение топлива начинается непосредственно у среза форсунки, которая подаёт его внутрь камеры сгорания. К недостаткам способа можно отнести достаточно высокие требования к горелочному устройству котла (форсунке).

Сжигание в кипящем слое

При сжигании ВУТ в кипящем слое струя топлива подаётся на нагретый слой инертного материала. Частицы водоугольного топлива, попадающие на кипящий слой, практически мгновенно воспламеняются. Несомненными преимуществами данного способа сжигания являются относительная простота реализации на котлах небольших мощностей, достаточно большой диапазон регулирования мощностей работы котла (без потери КПД), невысокие требования к качеству подаваемого топлива. К недостаткам можно отнести капиталоёмкость организации кипящего слоя на котлах средней и большой мощности, особенно в случае реконструкции последних.

Сжигание с газификацией

Горение ВУТ в топке кипящего слоя в режиме газификации в котле КВ-0,2

При сжигании ВУТ в кипящем слое возможны технологические решения по реализации режима газификации ВУТ (пиролиза), для которого ВУТ является идеальным сырьём. В этом случае сжигание осуществляется в две стадии: газификация и непосредственное сжигание полученных газов. В зависимости от технологических особенностей возможна комбинация методов сжигания. Синтезгаз, полученный на стадии газификации, попадая в топку котла увеличивает стабильность горения ВУТ. Недостатком метода на сегодняшний день является отсутствие серийно выпускаемых котлов.

ВУТ сегодня

В России

С 2004 года развитие технологии в России получило новый оборот. Первый опытно-промышленный центр приготовления ВУТ с момента закрытия проекта Белово-Новосибирск построен в пос. Ёнский Ковдорского района Мурманской области . Цех приготовления ВУТ в пос. Ёнский^[7] использует технологию предыдущего поколения (вибромельницы) для мокрого помола угля и приготовления ВУТ.

Украина

Начиная с 2009 года, цена на импортируемый российский газ для Украины возросла, причиной чему послужил так называемый газовый конфликт. С этого времени особо остро становится вопрос о поиске альтернативных источников топлива и энергобезопасности страны в целом. Правительство Украины на законодательном уровне закрепило ряд приоритетных направлений развития топливно-энергетического комплекса страны. К числу таких инициатив можно отнести:

1. Соглашение о региональном развитии Волынской области между Кабинетом министров Украины и Волынским областным советом (2010 год), где закреплен ряд мероприятий по внедрению ресурсо- и энергосберегающих технологий;^[8]
2. Поручение Президента Украины «Об ускорении реализации Национальных проектов», где сказано о включении проекта «Энергия природы» в число Национальных проектов^[9]. Одной из составных частей данного проекта является проект по «Использованию биомассы и водоугольного топлива с целью энергосбережения»;^[10]
3. Постановление Кабинета министров Украины № 397 от 17.05.2012 года про «Некоторые вопросы определения среднесрочных приоритетных направлений инновационной деятельности отраслевого уровня на 2012-2016 годы"^[11], в котором закреплено, как одно из приоритетных направлений, развитие технологий сжигания водоугольных смесей, как альтернативных источников топлива для замещения природного газа.
4. Верховной Радой Украины принято решение о привлечении кредита Китайского банка развития на внедрение водоугольного топлива и газификации угля в размере $3,6 млрд. ^[12]

Также в июне 2012 года было представлено на общественное обсуждение проект изменений в Энергетическую стратегия Украины до 2030 года^[13]. Согласно представленному проекту, запланировано постепенное сокращение импорта газа по следующему сценарию : 2015 г. - 33,7, 2020 г. – 27,1, 2025 г. – 20, 2030 г. – 5 млрд.куб.м/год. Проектом запланировано^[14] увеличение собственной добычи газа в два раза до 44 млрд.куб.м/год.

Очевидное стремление правительства к обеспечению энергетической безопасности и поиску альтернативных источников энергии, находит свое отражение в деятельности научных организаций и коммерческих предприятий. Научно-исследовательский проектно-конструкторский институт «Углемеханезация» (г. Луганск) ведет разработки в направлении внедрения водоугольных технологий и отрабатывает технологию^[15] на котельной в г. Нововолынске; компания «Украинское тепло» совместно с китайскими специалистами запустила промышленную сушку технологических углей, работающую на водоугольном топливе в октябре 2012 года;^[16] ряд коммерческих предприятий являются представителями основных мировых производителей оборудования для водоугольного топлива.

Примечания

1. ↑ Перевод китайского стандарта на ukrheat.com (оригинал)
2. ↑ Углепровод Белово-Новосибирск. vodougol.ru. Архивировано из первоисточника 5 декабря 2012.
3. ↑ Российский опыт внедрения промышленной технологии производства водоугольного топлива. RosTeplo.ru. Архивировано из первоисточника 5 декабря 2012.
4. ↑ Диссертация на тему «Повышение экономической эффективности потребления угля на внутреннем рынке»: автореферат. Архивировано из первоисточника 5 декабря 2012.
5. ↑ Документы, Статьи
6. ↑ http://www2011.energy.psu.edu/factsheets/programs/CWSF_Program.pdf
7. ↑ Водоугольное топливо в пос. Ёнский
8. ↑ Соглашение о региональном развитии Волынской области между Кабинетом министров Украины и Волынским областным советом от 12.01.2010 года.
9. ↑ О включении проекта «Энергия природы» в число Национальных проектов. http://www.ukrproject.gov.ua. Архивировано из первоисточника 5 декабря 2012.
10. ↑ Поручение Президента Украины «Об ускорении реализации Национальных проектов» от 22.03.2012 года. Архивировано из первоисточника 5 декабря 2012.
11. ↑ Постановление Кабинета министров Украины № 397 от 17.05.2012 г.
12. ↑ ВЕДОМОСТИ - Китай даст Украине $3,7 млрд на перевод энергетики на уголь
13. ↑ Энергетическая стратегия Украины до 2030 года
14. ↑ О проекте
15. ↑ Публикация
16. ↑ Информация на сайте "Украинское тепло"