Аналіз та доцільність використання водовугільного палива як альтернативного джерела енергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛІЗ ТА ДОЦІЛЬНІСТЬ ВИКОРИСТАННЯ ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВА ЯК АЛЬТЕРНАТИВНОГО ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ

Наведено короткий огляд можливостей використання водовугільного палива. Подано технології приготування водовугільної суміші, разом з тим наведено опис кавітаційно-вихрового методу отримання водовугільного палива. Розглянуто основні властивості ВВП, особливості його виробництва та застосування. Проаналізовано проблеми і сформульовано пропозиції подальших перспектив використання ВВП в енергетиці України.

Загострення ситуації в паливно-енергетичному комплексі України через підвищення вартості імпортного природного газу зумовлює необхідність розширення сфери використання власних енергоносіїв, основним з яких є вугілля.

Однак підвищення ролі вугілля в теплоенергетиці і збільшення обсягів його застосування пов'язані з погіршенням екологічної ситуації особливо в промислово розвинених регіонах, а саме підвищення викидів твердих частинок і оксидів азоту під час термічної сушки, забруднення повітряного простору і водойм від численних шламонакопичувачів тощо. Одним із шляхів вирішення цих екологічних проблем є використання водовугільного палива (ВВП).

Ідея використання ВВП замість нафтопродуктів отримала активне розповсюдження на початку 70-х років минулого століття за часів світової нафтової кризи в колишньому СРСР, Китаї, Японії, Швеції, США та інших країнах [1].

На сьогодні найбільшого поширення отримали роботи з ВВП в Китаї та Японії. Сьогодні тематикою ВВП в Китаї займаються три дослідницькі центри, створено Державний центр водоугільних технологій. Якщо в 2001 р. у Китаї щорічно вироблялося і споживалося більше

2 млн тонн ВВП, то в 2006 р. -- вже близько 15 млн тонн, а до 2020 р. виробництво ВВП в Китаї планується довести до 100 млн тонн на рік. Японія ж профінансувала будівництво заводу водовугільного палива на території Китаю і вже багато років транспортує ВВП океанськими танкерами на свої підприємства по всьому узбережжі Японії [2].

Активно в сфері екологічних та енергозбережних технологій працюють і в Новосибірську, де крім класичної сировини використовують торф'яний гідрогель і відходи вуглезбагачення.

В Україні з використанням водовугільного палива тільки для пусків енергоблоків замість газу чи мазуту можна заощадити близько 10 млн м3 природного газу на 2000 пусків енергоблоків. Але повернення до «вугільної ери» неможливо на основі технологій 50--60 років минулого століття, що зумовлено безліччю економічних і екологічних показників.

Особливості ВВП.

Водовугільне паливо -- це дисперсна система «вода--тонко дисперсне вугілля--хімічні добавки», що містить 60 ... 70 % подрібненого вугілля розміром 45 ... 250 мкм, 30 ... 40 % води і 1 % поверхнево-активних речовин (ПАР), що вводяться для підвищення реакційної здатності системи «рідина--тверда фаза». ВВП отримують з вугілля різних марок: антрациту, кам'яного та бурого вугілля різної зольності, води будь-якої якості, а також високозольних відходів збагачення.

Особливістю ВВП є низькі температури займання 450 ... 650 °С, горіння -- 950 ...1050 °С і висока ступінь вигоряння палива -- до 99,5 %. Сприятливі для горіння умови істотно знижують в продуктах згорання вміст оксидів азоту (до 1,5 ... 2 раз), вуглецю (у 2 рази) і бензопірену (в 5 разів).

Найважливішими характеристиками ВВП з точки зору його зберігання, транспортування та спалювання є його реологічні властивості -- динамічна в'язкість і стабільність. За однакових теплоти згоряння, зольності, мінералогічному складі, початковій вологості і однакових затратах на приготування якість водовугільного палива характеризується його реологічними властивостями -- динамічною в'язкістю та стабільністю.

Особливість реологічних властивостей проявляється в мінливому характері динамічної в'язкості ВВП, яка залежить від напруги зсуву і швидкості руху рідини. Такий рух ВВП є неньютонівським і визначається складом дисперсної фази і дисперсного середовища [3].

Практично всім ВВП, підготовлених з різних марок вугілля, властиві екстремальні залежності в'язкості від складу, змісту тонкої фракції і хімічних добавок. Прагнення до створення ВВП з максимальним вмістом твердої фази (вугілля) призводить до різкого збільшення його динамічної в'язкості (рис. 1).

В'язкість ВВП можна зменшити введенням хімічних реагентів, поверхнево-активних речовин (ПАР), за оптимального поєднання дисперсантів і стабілізаторів, а також підбором гранулометричного складу вугільних частинок.

Зниження динамічної в'язкості ВВП за рахунок використання ПАР -- досить вартісний захід, оскільки вартість пар практично дорівнює вартості вихідної сировини (вугілля).

Рис. 1. Залежність ефективної в'язкості водовугільного палива з від змісту дрібнодисперсного вугілля шахти «Інська» (Кузбас, Росія):

1...3 -- зольність вугілля 13,5 %:

1 -- одностадійна технологія без гомогенізації;

2 -- двостадійний без гомогенізації; 3 -- двостадійна з гомогенізацією; 4 -- збагачення вугілля до зольності 7 %, двостадійна технологія з гомогенізацією;

5 -- зі збагаченого вугілля оптимального бімодального гранулометричного складу

Стабільність ВВП -- одна з найважливіших характеристик палива через його зберігання, транспортування та спалювання. Однак, якщо ВВП використовується на місці виготовлення або близько до нього, то цей показник не має принципового значення.

Як повідомляється в [1], в Інституті фізико-органічної хімії та вуглехімії НАН України розроблені нові технології отримання ПАР, сировиною для яких служить буре вугілля. Запаси бурого вугілля в Україні значні. Основною перевагою розроблених ПАР є висока ефективність регулювальної дії, абсолютна термостійкість, проста технологія та низька вартість.

Забезпечення стабільності ВВП можливе за рахунок підбору гранулометричного складу при тонкому диспергуванні, яке супроводжується збільшенням зовнішніх і внутрішніх поверхонь внаслідок розблокування пор і розвитку нової пористості з виникненням мікротріщин. Об'єм мікропроміжних пор збільшується в декілька разів, тобто має місце кардинальне перетворення вихідної пористої структури. Структурні зміни зумовлюють зміну властивостей багатьох матеріалів, в тому числі вугілля. Відбуваються глибокі зрушення тонкої структури вугільної речовини. При цьому підвищується реакційна здатність вугілля в різних процесах і хімічних реакціях.

Висока хімічна активність вугілля разом з окисленням і тенденцією до загоряння пояснюється утворенням вільних радикалів в результаті розриву зв'язків С--С.

Зміни щільності тонкодисперсного вугілля від 1,59 до 1,39 г/см куб. підтверджують ослаблення структури внаслідок руйнування хімічних зв'язків та перебудови структури макромолекули вугілля. Отримання тонкодисперсного активованого з розвиненою поверхнею вугілля дає широкі можливості для використання цього процесу в різних енергетичних технологіях: для займання та стабільного згоряння пиловугільного полум'я в енергетичних котлах, заміни паливної нафти в промислових котлах.

Технологія отримання водовугільного палива.

Для промислового виробництва ВВП в Китаї та інших країнах широко використовується російська технологія розробки 70-х років минулого століття, яка включає двостадійний «мокрий» помел вугілля, коли в одному млині здійснюється грубо дисперсний, а в іншому -- високодисперсний помел вугілля. Процес приготування палива завершується у змішувачі. Двостадійний помел певною мірою оптимізує гранулометричний склад водовугільної суміші і робить позитивний вплив на динамічну в'язкість ВВП [1].

Основними промисловими апаратами виробництва ВВП за традиційною технологією є кулькові й стрижневі млини «мокрого» помелу.

Основна причина великої витрати енергії зумовлена досить низьким (менше 1 %) енергетичним ККД кулькових млинів. Стрижневі млини мають дещо кращі енергетичні характеристики. У процесі приготування однієї тонни ВВП випаровується близько 15 кг води, що з продуктивністю млина 3 т/год становить більше однієї тонни води на добу. Тому, щоб не допустити конденсації пари в приміщенні, млин доводиться обладнати паровідвідною системою. Іншим недоліком традиційної технології є значний механічний і корозійний знос поверхні молольних тіл (400...1000 г на тонну продукції), який, залежно від марки сталі, в 3...5 разів перевищує аналогічні характеристики у разі сухого подрібнення вугілля. В цілому, виробництво водовугільного палива в Китаї за традиційною технологією характеризується досить високою вартістю -- близько 25 дол. США за тонну водовугільного палива [3].

У Новосибірському державному технічному університеті розроблено штучне композитне рідке паливо, для виробництва якого використана кавітаційна технологія обробки вугілля [4]. Для виробництва ВВП використовується подрібнене до 2,0 мм вугілля, яке далі додатково додрібнюється в диспергаторі ультратонкого подрібнення до стану із середнім розміром частинок близько 30 мікрон. Після цього вугільний порошок змішується з водою і технологічними добавками і надходить в кавітатор, де відбувається доробка паливної композиції, яка сприяє деструкції молекул вугілля з розпадом на окремі органічні складові з активною поверхнею частинок і великою кількістю вільних органічних радикалів часток розміром 5...10 мікрон. Внаслідок дії кавітатора вода також зазнає зміни -- в ній утворюється атомарний водень, перекис водню Н2О2, вода в збудженому стані й інші компоненти, хімічна активність яких сприяє утворенню активного дисперсного середовища, насиченого компонентами іонного та катіонного типів. Одержуване паливо характеризується підвищеною реакційною здатністю і може зберігатися без руйнування фізико-хімічної структури більше 12 місяців.

«Мокра» обробка водовугільного палива в кавітаційних апаратах виявилася надзвичайно плідним напрямком і привела до створення низки нових технологій виробництва ВВП.

Кавітаційне водовугільне паливо (КаВВП) не вимагає використання хімічних реагентів і зберігає стабільність протягом 8...24 місяців. Це паливо має велику реакційну здатність, високий ступінь вигоряння (до 99 %), а активація поверхневих часток призводить до істотного зниження температури займання. У сумі витрати на спорудження установки з приготування КаВВП та додаткових вузлів складає 3,55 дол. США на тонну продукції на рік, що майже в 3 рази менше витрат на спорудження традиційної схеми вугільної паливоподачі з пилеприготуванням [3].

Обґрунтування концепції суміщених турбулентного вихрового потоку і акустичного самозбудженого поля з різночастотними параметрами для інтенсифікації подрібнення стало основою створення вихрових установок мікронного і субмікронного диспергування твердих матеріалів з високим рівнем процесів тепломасообміну. На цій основі розроблені нові вихрові пристрої для тонкого диспергування різних матеріалів з урахуванням їх теплофізичних, фізико-хімічних і технологічних властивостей.

З використанням вихрових пристроїв мікронного диспергування в Інституті технічної теплофізики НАН України розроблено спосіб отримання водовугільного палива на основі кавітаційно-вихрової технології. Технологія отримання ВВП основана на двоступеневому подрібненні вугілля: «сухе» подрібнення вугілля від 2...3 мм до 10...20 мкм здійснюється у вихровий камері, а змішування і додрібнення до 6...10 мкм -- в кавітаційному апараті. Поєднання акустичних коливань певної частоти з вихровим газовим потоком дозволяє отримувати дисперсні системи із заданим розміром частинок. Джерелом акустичних коливань є самозбуджені коливання, що виникають під час обтікання резонаторів і вихрової камери потоком аеродинамічних профільованих елементів. Застосування кавітаційно-вихрового методу дозволило отримати стабільну водовугільну суспензію без ПАР з концентрацією вугілля до 60 % і необхідними реологічними властивостями (рис. 2).

Запропонований спосіб отримання ВВП характеризується високою активацією і демінералізацією палива, що значно підвищує енергетичний потенціал водоугільного палива і його екологічну чистоту; відносно низькою собівартістю за рахунок використання вихрового млина та кавітаційного диспергатора; відсутністю диспергуючих добавок і дорогих ПАВ.

Однак треба враховувати, що у всіх цих випадках необхідна значна модернізація теплоагрегатів, яка може окупитися за 2--3 роки, і тільки в особливо сприятливих випадках окуп-

Рис. 2. Залежності ефективної в'язкості зеф

від швидкості зсуву г : 1 -- вода і 50 % АШ;

2 -- вода і 55 % АШ; 3 -- вода і 60 % АШ;

4 -- за допомогою апроксимації отриманих даних моделлю Гершеля-Балкліність може бути в межах одного року [5].

В Україні успішній реалізації водовугільних проектів заважає і відсутність в енергетичній стратегії до 2030 року цільової програми розвитку водовугільних технологій, як це було зроблено в Китаї ще в 80-ті роки минулого сторіччя.

Висновки

водовугільний паливо енергетика економія

В умовах економії енергоресурсів для теплоенергетики Україні особливо важливо перейти від вартісного імпортованого палива до дешевого альтернативного палива власного видобутку. У зв'язку з цим використання власних енергоносіїв, основним з яких є буре та високозольне вугілля, вимагає підвищення ефективності та екологічної чистоти їх спалювання. Застосування ВВП як

альтернативного джерела енергії дозволяє значно розширити галузі використання вугілля. Технології приготування ВВП та її основні закономірності глибоко вивчені і практично реалізовані в країнах, що використовують ВВП, і відрізняються в основному технікою та глибиною подрібнення, способом збереження необхідної в'язкості і стабільності. На основі фундаментальніих досліджень в галузі вихрових потоків і аналізу сучасного обладнання отримання водовугільного палива встановлено, що для отримання ВВП доцільне використання двоступеневих апаратів, де на першій стадії здійснюється «сухе» подрібнення вугілля у вихровому потоці, а на другій -- кавітаційне змішування і додрібнення, що дозволяє отримувати частки вугілля з середнім розміром 10 мкм.

Весь процес приготування ВВП -- це процес боротьби з негативним впливом золи на всіх етапах приготування ВВП. Для України настав період осмислення даного процесу, тим більше що технологія і техніка для збагачення будь-якого вугілля в наш час вже існує і функціонує. Цей висновок однозначний для теплоенергетики будь-якого рівня і особливо актуальний для ВВП і його застосування в малій теплоенергетиці. Але найбільшою проблемою на шляху впровадження водовугільних технологій в теплоенергетиці України була і залишається повна відсутність цілеспрямованої державної політики, про що прямо свідчить «Енергетична стратегія України на період до 2030 року», в якій не передбачена цільова програма розвитку водовугільних проектів.

Список використаної літератури

1. Халатов А.А. Водовугільне паливо в енергетиці України. Сучасний стан и Проблеми розвитку / А.А. Халатов, Н.В. Костенко, О.В. Шіхабутінова // Вісник Академії митної служби України. Технічні науки. -- 2009. -- № 2 (42). -- С. 33--43.

2. Літовкін В.В. Аналітичний огляд технологій и устаткування для виробництва водовугільного паливо в Україні / В.В. Літовкін, А.В. Літовкін // Нові Виклики часу : зб. наук. праць. -- Львів : НВФ «Українські Технології»; за ред. П. Омеляновського, Й. Мисака. -- 2009. -- С. 76--80.

3. Долинский А.А. Водоугольное топливо: Перспективы использования в теплоэнергетике и жилищно-коммунальном секторе / А.А. Долинский, А.А. Халатов // Промышленная теплотехника. -- 2007. -- т. 29, № 5. -- С. 70--79.

4. Зайденварг В.Е. Производство и использование водоугольного топлива / [В.Е. Зайденварг, К.Н. Трубецкой, В.И. Мурко, И.Х. Нехороший]. -- 2001. -- 176 с.

5. Кузнецов А.С. К вопросу о внедрении водоугольного топлива (ВУТ) на промышленных и коммунальных теплоэнергетических предприятиях / А.С. Кузнецов, И.И. Токарев // Современная наука : сб. науч. стат. -- 2010. -- № 1(3). -- С. 32--34.

Размещено на Allbest.ru