Использование водо-угольных суспензий в энергетике

1 Введение

Первые  исследования угольных суспензий были выполнены в Институте горючих  ископаемых (ИГИ) и ЭНИН еще в середине прошлого века и даже ранее. Уже тогда разрабатывали технологию утилизации загрязняющих окружающую среду дисперсных угольных шламов, которые образуются в процессах обогащения, гидравлической добычи и гидротранспортирования угля из шахты. Из-за высокой стабильности и дисперсности шламовых суспензий требуются значительные затраты на их обезвоживание. Прямое (без предварительного обезвоживания) сжигание шламовых суспензий в тепловых агрегатах решило бы проблему их утилизации. Предполагали, что в определенных условиях это может оказаться выгоднее и технологичнее, чем сжигание дисперсного угля, выделяемого посредством обезвоживания и высушивания шламовых суспензий. В техноэкономических расчетах эффективности прямого сжигания было принято, что стоимость угольных шламов мала по сравнению с другими затратами на их переработку в технологически приемлемое топливо.

Все предложенные технологии прямого сжигания шламовых суспензий оказались экономически несостоятельными, а экологические  аспекты проблемы — социально  тревожными и значимыми.

Практическое  использование шламовых угольных суспензий  осложнено еще их неоднородностью  вследствие различного происхождения, местонахождения, разных условий содержания и хранения. Проекты прямого сжигания шламовых угольных суспензий не были реализованы. К настоящему времени  построенные установки демонтированы.

Наряду  с технологией прямого сжигания шламов разрабатывали и технологию получения топливных суспензий  — водоугольного топлива (ВУТ) из кондиционного рядового угля. В отличие  от угольных шламов минералогический состав и свойства рядового каменного  угля регламентированы, количество угля заданного состава практически  не ограничено. Поэтому изготовление из него ВУТ менее затруднительно. Водоугольное топливо рассматривали  как доступную, хотя и неполноценную, замену (как паллиатив) энергетических продуктов гидрогенизации угля. Способы  получения углеводородных жидкостей  из угля посредством его гидрогенизации известны. Однако эти способы по всем разработанным к настоящему времени технологиям недостаточно совершенны; получаемые в опытнопромышленных установках жидкие топлива по стоимости  неконкурентоспособны с нефтепродуктами.

Кардинальная  политико-экономическая проблема ВУТ  базируется на том факте, что промышленные запасы угля значительно шире и равномернее  распространены по земному шару, чем  совокупные запасы нефти и газа, а в энергетическом эквиваленте  многократно их превосходят. Огромные залежи угля сосредоточены в России, Китае, США, Австралии, Канаде, ЮАР и  во многих других странах. Добыча и транспортирование угля на любые, особенно дальние, расстояния механизированы и четко организованы. Поэтому перспектива использования угля, сжигаемого как жидкое топливо, вместо нефтепродуктов для уменьшения зависимости промышленных стран от поставок нефти представлялась весьма заманчивой.

Потенциальная экономичность угольного топлива  определяется относительно низкой стоимостью энергии, получаемой при его сжигании (на ТЭС) — примерно 1, 5 дол. за 1 МДж  для битуминозного угля против 4, 5 дол. за 1 МДж для мазута (по ценам  энергоносителей в 1997 г. в США: мазута — 150, угля — 30...40 дол. за 1 т на месте доставки).

Отношение к проблеме и ассигнования на разработку суспензионных угольных топлив в  разных странах определялись конкретным состоянием и степенью обеспечения  местными энергоносителями, а также  соотношением затрат на производимую в них энергию из добываемого  и привозного угля, нефти и газа. Во всех странах целью программ по созданию нефте- и газозаменяющих видов  топлива [не только суспензионноугольного (СУТ)] было обеспечение как экономической  независимости, так и экологической  безопасности.

Тематика  по ВУТ стала особенно популярной в 70-х годах прошлого века. Задача состояла в разработке технологий приготовления  ВУТ такого качества, чтобы с наименьшими  издержками можно было заменить им мазут в энергетических агрегатах. Проектировали также трубопроводное транспортирование ВУТ на дальнее  расстояние. Разрабатывали технологию применения ВУТ в двигателях внутреннего  сгорания (ДВС) и вместо угля в газогенераторах. Был также выполнен значительный объем работ по замене угля на ВУТ  в тепловых котельных. Предполагали этим уменьшить объем вредных  выбросов.

В структуре  энергетического баланса России в 2003 г. мазут и газ составили примерно 70 %, причем в европейской части — более 86 %. На долю газа в настоящее время приходится примерно 61 % производства электроэнергии. Доля угля в производстве электроэнергии в России составляет не более 26 %. Ее увеличение за счет уменьшения доли газа более чем актуально. Перевод на угольное топливо мазутных и газовых ТЭС и котельных экономически перспективен еще потому, что освободит для экспорта высокоценные энергоносители. Следует отметить, что структура внутренних цен в России на энергоносители неблагоприятна для замещения углеводородного топлива углем. Так, в средней полосе России цена рядового угля со средней теплотой сгорания примерно 17... ...20МДж/кг составляет 1 800 руб/т, а цена мазута со средней теплотой сгорания 42 МДж/кг — до 3 800 руб/т. Невыгодность замены мазута углем очевидна.

Для России наиболее актуальна проблема доставки угля из Кузбасса на Урал и в ее европейскую  часть. Некогда богатые угольные месторождения европейской части  России в значительной мере или полностью  исчерпаны, или добыча угля обходится  непомерно дорого из-за бедности пластов  и большой глубины их залегания. Доставка угля из Кузбасса в центральные  районы страны практически утраивает  стоимость угля. Поэтому для России, как и для Китая и США (стран  с развитыми сетями железнодорожного и водного транспорта) экономически актуально создание сетей гидротранспортирования угля и технологии получения угольного  моторного топлива для транспортных двигателей.

В Институте  горючих ископаемых, НПО «Гидротрубопровод» и других научных центрах выполнен значительный объем работ по созданию технологии приготовления, транспортирования  и сжигания ВУТ из рядового угля разных марок. Был спроектирован  и построен опытно-промышленный комплекс, который включал в себя терминал приготовления ВУТ расчетной  производительностью 400 тыс. т/год, трубопровод  длиной 262 км и терминал приема и сжигания ВУТ на ТЭС в Новосибирске.

Определенный  опыт применения ВУТ накоплен также  в некоторых странах, в том  числе в Китае и США. Китай  занимает первое место в мире по объему добычи и потреблению угля (более 1 млрд т/год), почти вся его  энергетика (95 %) основана на нем. Одной  из проблем Китая является транспортирование  угля от мест его добычи к местам потребления, причем трассы доставки часто  проходят по пересеченной местности, и  потому наиболее выгодным может оказаться  трубопроводный транспорт водных суспензий. Кроме того, Китай заинтересован  в экспорте угля в Японию и другие страны Тихоокеанского региона, топливные  ресурсы которых весьма ограничены. Морские перевозки угля в составе  суспензии, ее загрузка в танкеры, выгрузка и сжигание по жидкостной схеме представлялись экономически рациональными. В течение  нескольких лет Китай совместно  с Японией разрабатывает проекты  приготовления в Китае угольных суспензий и транспортирования  их танкерами к прибрежным ТЭС  Японии, где они используются совместно  с мазутом и вместо него. Часть  этих проектов прошла завершающую стадию и реализована в промышленном масштабе.

В США  ежегодно добывают примерно 900 млн т  угля, из которых 85 % используют для  получения электроэнергии. Угольные ТЭС обеспечивают примерно 65 % всего  ее производства, еще 25 % — АЭС и  ГЭС. И только примерно 10 % электроэнергии вырабатывают сжиганием нефтепродуктов и природного газа на ТЭС и в  дизельных генераторах. Для США  наиболее актуальны разработки моторных угольных топлив для транспортных двигателей — основных потребителей добываемой в стране и импортируемой нефти. Как и в Китае, в США перспективным  считали танкерное транспортирование  водоугольной суспензии (ВУС) в страны Тихоокеанского побережья. Трубопроводное транспортирование угля расценивали, в основном, как альтернативу железнодорожному транспорту с его высокими тарифами. В США уже много лет успешно  действуют трубопроводы, которые, однако, транспортируют не суспензию, а угольную пульпу. В отличие от ВУС ее обезвоживают на конечном терминале с последующим  сжиганием угля по пылеугольной технологии. Опытный трубопровод для транспортирования  ВУС был построен, но так и не введен в эксплуатацию, поскольку  компания, владеющая проходящей параллельно  ему железнодорожной дорогой, немедленно снизила тарифы на перевозку угля. В настоящее время трубопровод  также переведен на транспортирование  угольной пульпы.

Промышленные  проекты по использованию ВУТ  в Европе до настоящего времени не реализованы.

2 Основные  технологические характеристики  топливных угольных суспензий

Разработаны технологии приготовления и использования  угольных суспензий на основе нефти, метанола и воды. Наиболее перспективными принято считать ВУС или ВУТ. Очевидным недостатком ВУС является большое содержание в них воды — до 40 % состава, причем этот показатель невозможно заметно уменьшить из-за катастрофического роста вязкости с повышением содержания угля (рис. 1).

Рисунок 1 - Зависимость эффективности вязкости ВУС от содержания в ней угля (Кузбасса, шахта «Инская») и способа приготовления. 1-3 - из исходного угля с зольностью 13, 5% (1- по одностадийной технологии без гомогенизации, 2 - по двустадийной без гомогенезации; 3 - по двустадийной технологии с гомогенизацией); 4 - из обогащенного до зольности 7% угля по двустадийной технологии с гомогенизацией; 5 - из обогащенного угля оптимального бимодального гранулометрического состава

Зависимость вязкости угольных суспензий от содержания в них твердой фазы подробно изучена. На нее влияют степень гидрофобности  угля, количество в нем и состав минеральных примесей — глины. Вязкость суспензии можно в значительной мере уменьшить химическими реагентами (ПАВ) — сочетанием дисперсантов и  стабилизаторов (рис. 2), а также подбором гранулометрического состава угольных частиц (рис. 3). Оба этих приема обременительны по затратам — они могут составлять значительную часть стоимости суспензии, сопоставимую со стоимостью угля.

Рисунок 2 - Зависимость эффективности вязкости ВУС из угля двух фракций [крупной (к) размером 250...125 и мелкой (м) размером 60...0 мкм] от содержания в ней дисперсанта (а) и стабилизатора (б). Стрелками  указан порог седиментационной стабильности. 1 - содержание угля С = 63 %, соотношение  фракций к/м = 60/40; 2 - С = 63, 5 %, к/м = 63, 4/36, 6; 3 - С = 66 %, к/м = 50/50; 4 - С = 63, 5 %, к/м = 66, 7/33, 3

Рисунок 3 - Влияние доли тонкой фракции (менее 60 мкм) на эффективную вязкость ВУС  с содержанием угля С = 63, 5 %. 1 и 2 - крупная фракция (125...259 мкм): 1 - свежеприготовленная, 2 - она же через 7 сут; 3 - крупная фракция (125...250 мкм) с 5% частиц менее 125 мкм

Большим содержанием воды в суспензии  обусловлены дополнительные затраты  на ее транспортирование вместе с  углем, а затем — на испарение  в процессе сжигания. Согласно расчетам на каждые 10% воды расходуется 1 % угля. Преимущество же ВУС по сравнению  с углеводородным топливом состоит  в ее взрыво- и пожаробезопасности на всех технологических стадиях  приготовления и транспортирования. Кроме того, технологии приготовления  ВУС хорошо сопрягаются с процессами обогащения и деминерализации угля — исключают необходимость обезвоживания  угля по их завершении, что отчасти  компенсирует затраты на испарение  воды, содержащейся в ВУС, и на транспортирование  ее вместе с углем.

Суспензионные технологии предотвращают пыление  и окисление, свойственные рядовому углю при его транспортировании  и хранении. Потери угля в этих процессах  в зависимости от условий, способа  и дальности доставки составляют 3...5 % его массы и в совокупности с потерями при разгрузке и  складировании являются заметной статьей  расходов при расчете стоимости  получаемой при его сжигании энергии. Кроме того, распыление угля загрязняет местность вдоль пути его транспортирования  и окрестности складирования.

Технологические свойства топливных водных угольных суспензий (как и всяких других) определяется следующими параметрами:

содержанием твердой фазы (угля);

дисперсностью твердой фазы (гранулометрический состав и удельная поверхность угля с  минеральными примесями);

вязкостью и ее зависимостью от скорости и  температуры транспортирования;

стабильностью — динамической (при транспортировании  по трубам и в танкерах) и статической (в резервуарах);

составом, свойствами и необходимым содержанием  химических добавок — ПАВ (стабилизаторов и дисперсантов);

содержанием и составом минеральных примесей, включая такие экологически вредные, как соединениясеры и другие токсичные  вещества.

Непременным элементом технологии приготовления  ВУС является измельчение угля в  мельницах различного типа и энергонапряженности. Обычно ВУС готовят непосредственно  в процессе измельчения угля, когда  мельницу используют и как смеситель  суспензии. Однако более экономичны схемы приготовления ВУС в  два этапа, когда уголь измельчают по технологии пылеприготовления, а  смешивают его с водой в  смесителе. Иногда (например, в терминале  Белово-Новосибирск) для минимизации  вязкости суспензию измельчают в  шаровой и стержневой мельницах (уголь бимодального гранулометрического  состава). Процесс приготовления  ВУС завершается в дополнительном смесителе. Степень измельчения  угля зависит от назначения и условий  использования суспензий. Дисперсность суспензий, предназначенных заменить углеводородное топливо в двигателях внутреннего сгорания, должна быть значительно большей, чем суспензий, применяемых на ТЭС вместо мазута. Верхний предел размеров частиц угля для каждого способа использования  суспензии устанавливают исходя из условий минимальных механического  недожога и расходов на диспергирование. Вязкость суспензии должна быть наименьшей при наибольшей стабильности и минимальных  затратах на тонкое измельчение. Затраты  приготовление (измельчение и смешение) в сумм расходами на ПАВ в значительной мере определяет стоимость и экономическую  конкурентоспособное угольных суспензий  с другими видами топлива.