07-06-2023
Водоугольное топливо (ВУТ)представляет собой смесь (суспензию) из мелкоизмельчённого угля и воды. 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. Основные преимущества ВУТ состоят в снижении топливных затрат по сравнению с мазутом и газом, снижении вредных выбросов, прежде всего NOx, а также технологическом удобстве использования угля в жидкой форме.
Содержание |
Водоугольное топливо (ВУТ) является частным случаем водоугольной суспензии (ВУС). ВУТ производится путём последовательного измельчения угля до фракции приблизительно 200 мкм и меньше и смешением с водой. В зависимости от марки исходного угля содержание угля в ВУТ составляет от 57 до 70 % (по массе).
ВУТ производится как из каменного угля различных марок (Г, Д, СС, Т, и др.), так и бурых углей.
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 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[1]. 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. 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.
Экономическая эффективность ВУТ по сравнению с мазутом была показана ещё в 1993 году при сравнительно невысоких ценах на нефть. Сейчас в условиях катастрофического роста цен на мазут и газ экономическая эффективность ВУТ становится всё более актуальной.
Применение ВУТ позволяет:
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 (NOx) и оксидов серы (SOx). Также, проведённые анализы показывают, что золы от сжигания ВУТ, имеет вспученный характер и применяется в строительстве [4], [5].
Силами ФГУП Гидротрубопровод в 90-х годах была предложена идея деминерализации ВУТ до содержания золы в нём около 1%. Полученный продукт назван ЭКОВУТ. Однако, данный продукт не нашёл широкого применения в силу того, что получение низкозольного угля является дорогостоящей процедурой, сводящей на нет экономические преимущества ВУТ.
На энергетических котлах:
В период бурных 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.
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.
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.
На первых стадиях применения ВУТ действительно 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.
Классический способ приготовления ВУТ состоит из трёх основных стадий:
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.
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 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.
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.
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 (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).
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.
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.
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[6] использует технологию предыдущего поколения (вибромельницы) для мокрого помола угля и приготовления ВУТ.
Учитывая высокие цены на основной энергоноситель (газ), Верховной Радой Украины принято решение о привлечении кредита Китайского банка развития на внедрение водоугольного топлива и газификации угля в размере $3,6 млрд. [7] В рамках полученного кредита планируется модернизировать несколько электростанций, использующих в настоящее время газ для выработки электричества. Иными слова, речь идёт о "большой" энергетике, в то время как котельные ЖКХ и промпредприятий по-прежнему будут потреблять газ или мазут.[8]
Водоугольное топливо.
