Водоугольное топливо – технология будущего

Сегодня много говорят о расширении использования альтернативных, возобновляемых, нетрадиционных источников энергии – но все это перспективные источники, а в практическом плане необходимо сосредоточиться на традиционных источниках и, в первую очередь, на полномасштабном возвращении в энергетику угля. При этом, принимая во внимание то, что уголь дешевле мазута и газа, надо также представлять, что сжигание угля на ТЭС совсем не просто обеспечивает нас энергией и получается она не очень дешевой, так как использование угля на ТЭС определяет обрастание основной технологической цепи электростанции: сжигание угля в топке котла и получение пара, с помощью турбины вращающего электрогенератор, энергия от которого выдается в систему целым букетом вспомогательных и дополнительных узлов, в том числе обеспечивающих разгрузку, хранение, приготовление и подачу на сжигание. Сюда входят железнодорожное хозяйство, вагоноопрокидыватели, тракты топливоподачи с узлами пересыпок, дробилками, бункерами, мельницами и пылесистемами. И перерабатывается угля сотни, а то и тысячи тонн в час. Уголь же рассыпается, самовозгорается, пылит, а пыль взрывается. Поэтому появляются системы пылеподавления, аспирации, гидросмыва с очистными сооружениями. Все эти дополнительные узлы увеличивают объемы и стоимость строительства ТЭС, усложняют работу эксплуатационного персонала, не обеспечивая стопроцентной гарантии безопасности и нормальных санитарно-гигиенических условий работы. Поэтому возвращение угля в энергетику не должно быть возвратом к архаичным способам его сжигания. Нужны новые технологии, позволяющие использовать достоинства угля, но свести к минимуму сложности его применения. Принципиально важным решением для угольной энергетики может стать переход от прямого сжигания угля в различных топочных устройствах на приготовление из углей различных качеств, в том числе и из отходов углеобогащения, водоугольного топлива. Идея водоугольного топлива далеко не нова. С начала 70‑х годов прошлого века в ряде стран, в том числе в США, Канаде, Италии и Китае, ведутся работы по исследованию и созданию опытно-промышленных, демонстрационных и коммерческих установок по производству и использованию ВУТ. Впереди, похоже, Китай. Там тематикой по ВУТ занимаются три научно-исследовательских центра, работают 6 заводов по производству ВУТ, на котельных и электростанциях, сжигающих ВУТ, производится до 2 млн. кВт энергии. Намечено строительство крупного завода по производству ВУТ, утраивающего его производство. Доставка потребителям осуществляется в железнодорожных цистернах. По имеющейся у нас информации, технология приготовления водоугольного топлива за рубежом, в том числе и в Китае, традиционная и состоит из двухступенчатого мокрого помола угля в шаровых мельницах, подмеса пластифицирующих и стабилизирующих химических присадок, подачи полученного продукта на хранение и последующее сжигание в камерных топках котлов. Такая технология была реализована в 80‑е годы прошлого века и у нас в составе опытно-промышленного комплекса «Белово – Новосибирская ТЭЦ-5». Опыт, к сожалению, не был доведен до конца, но определенные результаты все‑таки принес, подтвердив оптимистические надежды на водоугольное топливо и выявив его недостатки, а именно: – громоздкая, затратная и сложная технология приготовления ВУТ с большим разбросом фракционного состава, нестабильными характеристиками пластичности и необходимостью ввода химических добавок; – неудовлетворительные результаты сжигания ВУТ в камерной топке котла большой мощности из‑за низкого ресурса работы сопел форсунок (40 часов), необходимости постоянной подсветки факела и наличия значительного недожога топлива (более 15%). Наши надежды на перспективность водоугольного топлива основываются на новой технологии приготовления этого топлива, а именно – кавитатационной, характеризующейся высоким уровнем местного динамического компрессионного и температурного воздействия на обрабатываемый материал (до 2000оС и 25000 атм). В результате твердый компонент смеси (уголь) измельчается до заданной степени дисперсности, а суспензия приобретает новые свойства, выгодно отличающие ее от получаемой традиционным способом, в том числе: – стабильность на протяжении длительного времени (контрольные образцы выдерживаются около трех лет) и пластичность без каких‑либо присадок при достигнутом содержании твердого до 70%; – полностью высушенное или частично обезвоженное топливо переходит при добавлении воды в состояние устойчивой суспензии без механического побуждения; – топливо не увеличивает объема при замерзании, а после размораживания восстанавливает свои исходные свойства. Перечисленные качественные показатели кавитационного водоугольного топлива (в дальнейшем – КаВУТ) получены в результате лабораторных исследований образцов топлива, приготовленного на действующей установке производительностью 30 т/час. Эта установка работала в течение двух лет на Енисейском ЦБК и обеспечивала водоугольным топливом котлы-утилизаторы целлюлозно-бумажного производства. На этой установке нам удалось провести промышленный эксперимент по приготовлению КаВУТ, было переработано 39 тонн угля марки СС и получены следующие результаты: – удельные показатели по энергозатратам (30 кВт*ч/т угля) соизмеримы с энергозатратами альтернативных вариантов; – расход металла рабочих органов кавитаторов (до 100 г/т угля) значительно ниже (400‑1000 г/т), чем при мельничном помоле, изготавливаются они из чугуна или простых сталей, и затраты на них составляют 1 (один) рубль на тонну переработанного угля. Проработаны проекты узлов приготовления КаВУТ различной производительности, в результате анализа которых определены: – удельные затраты на приготовление КаВУТ – 69 руб/т (2,66 долл.). Для сравнения в Китае при традиционной технологии приготовления ВУТ, удельные затраты на приготовления ВУТ – до 25 долл. – компактность установки, характеризующаяся удельным объемом здания установки приготовления КаВУТ – 40‑50 м3/т в час. Для сравнения аналогичный показатель традиционной технологии составит 1000м3/тн в час. Вторым из выявленных недостатков опытно-промышленного сжигания ВУТ на Новосибирской ТЭЦ-5 определились как раз условия горения этого топлива, 40 часов работы сопла форсунки, необходимость подсветки факела газом или мазутом, большой недожог топлива вместе со сложностью традиционной схемы подачи водоугольного топлива на сжигание (потребность в обеспечении высокого – 16 атм – давления вязкого топлива и агента-распылителя). В КНР при больших объемах производства и сжигания ВУТ наиболее ответственным считается процесс сжигания. Все имеющиеся сложности со сжиганием ВУТ вытекают из необходимого условия распыления суспензии до микронных размеров (120 мкм) на входе в топку. Но уже никого не удивляет «кипящий слой», и уже апробировано сжигание ВУТ в кипящем слое на небольшой котельной при Воскресенском химкомбинате. Объединяя стационарный кипящий слой и кавитационное водоугольное топливо, мы пошли дальше. Учитывая ограниченность стационарного кипящего слоя по диапазону теплопроизводительности, с одной стороны, и необходимость поддерживания в нем достаточно низких (до 1000 оС) температур, с другой, предлагается новая схема сжигания водоугольного топлива, состоящая из двух ступеней. Первая ступень – топка (реактор) со стационарным кипящим слоем, работающим в низкотемпературном режиме сжигания и газификации части топлива в условиях недостатка окислителя и снятии части выделяющегося в слое тепла на нагрев вторичного воздуха вне зоны реагирования. Вторая ступень – камерная топка высокотемпературного сжигания основной массы топлива, прошедшего транзитом через кипящий слой и модифицированного под воздействием создающихся в его объеме термохимических условий, а также дожигание продуктов газификации. Предлагаемая схема обеспечивает: – низкий уровень генерации окислов азота, что обуславливается предварительной обработкой топлива в существенно восстановительной среде стационарного кипящего слоя, способствующей выделению топливного азота в молекулярном состоянии; – предельное выгорание топлива (в смеси газообразного и пылевидного материала) во второй ступени, обусловленное высокими температурами горения при оптимальном избытке, рациональном распределении и высокой температурой вторичного воздуха. Предлагаемая схема сжигания как комбинация кипящего слоя и объемного сжигания похожа на топки с ЦКС, но использование в качестве топлива водоугольной композиции позволяет: – существенно снизить размер частиц материала кипящего слоя с соответствующим снижением на выходе из него скоростей газа и размера выносимых частиц топлива до уровня, который обеспечивает их полное сгорание в камерной части топки, исключив необходимость рециркуляции; – существенно сдвинуть долю реагирования топлива в объем кипящего слоя за счет газификации его водой, входящей в состав суспензии, обеспечив горение в камерной части топки, в основном смеси летучих компонентов горючей части угля и газообразных продуктов газификации с выносимой из слоя недогазифировавшей при низкой температуре слоя частью высокореакционного коксового остатка. Для котлов малой и средней мощности объемная часть топки рекомендуется традиционной, а для больших котлов, производительностью от 700 тонн пара в час и выше, объемную часть топки целесообразно принять кольцевой, что позволит снизить высоту котла на 15–18%, его веса и стоимости почти на 30% по сравнению с котлами, оборудованными топками ЦКС. Утверждения о достоинствах КаВУТ и двухступенчатой схемы его сжигания основываются на проектных проработках, конструкторских расчетах, лабораторных исследованиях и опытах по стендовому сжиганию водоугольного топлива в камерной топке и в топке с кипящим слоем. По результатам последнего стендового сжигания КаВУТ на полигоне в Раменском было отмечено и занесено в протокол: – отметить качества нового топлива, выгодно отличающие его от традиционных видов благодаря особенностям технологии его приготовления и способа сжигания с газификацией в кипящем слое; – высокую эффективность процесса сжигания при активной роли воды, входящей в состав КаВУТ; – нечувствительность процесса сжигания к качеству исходного угля и универсальность топочного устройства в отношении КаВУТ из углей любых марок, включая антрацит и отходы углеобогащения; – хорошую управляемость и возможность автоматизации процесса сжигания КаВУТ; – экологическую чистоту, взрыво- и пожаробезопасность процессов хранения, транспортировки и сжигания. Особенно удобно технологически и выгодно экономически производить КаВУТ из высоковлажных углей (не надо сушить, чтобы сжечь в пылеугольной топке и не много нужно добавлять воды, чтобы сделать КаВУТ) или из увлажненных отходов углеобогащения. Проведены эксперименты по получению КаВУТ из отсевов, обезвоженного кека вакуум-фильтра, шлама отстойника обогатительной фабрики разреза Черниговский и кека фильр-прессов ЦОФ «Беловская» Кемеровской области (из углей Ж, ГЖ, КС шахт Чертинская, Распадская и разреза Бачатский), теплотворная способность проб КаВУТ находилась в диапазоне от 3000 кКал/кг до 1200 кКал/кг. Но все горело и в камерной топке, но особенно хорошо – в топке с кипящим слоем. О КаВУТ как о виде угольного топлива говорится не впервые. И хотя в своей аргументации в его пользу в основном упор идет на выгоды энергетики, первыми эти доводы услышали угледобытчики. И именно то, что в топливо можно превратить отходы углеобогащения. А количество таких отходов таково, что из 1 млн тонн переработанного на обогатительных фабриках угля в отвалы уходит топлива, достаточного для выработки 20 МВт электроэнергии. И это при всех стараниях по совершенствованию технологий обогащения. Если же ориентироваться на КаВУТ масштабно, то можно, существенно упростив технологию углеобогащения, отделяя нужное количество концентрата, все остальное превращать в КаВУТ тут же, на обогатительной фабрике, получая на выходе два продукта: концентрат и КаВУТ и никаких отходов. Объективно рассчитанная цена такого нового продукта должна устроить и производителей, и потребителей. Источник: Энергетика и промышленность России