Водоугольное топливо

 Міністерство освіти і науки України

Національний  технічний університет України

“Київський політехнічний інститут” 

Кафедра машин і апаратів хімічних і нафтопереробних  виробництв 
 
 

Реферат

на тему:

«Водовугільне паливо» 
 
 

          

                                                              
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Київ  НТУУ «КПІ» 2011

Введение 

    На границе 70-80 г.г. прошлого века мировой энергетический кризис приобрел перманентный характер, который связан с окончанием эры «дешевой нефти». До 2000 г. было израсходовано:

87 % мировых запасов  нефти; 

73 % мировых запасов  природного газа;

2 % мировых запасов  угля.

    Это касается энергетических ресурсов, доступных для современных технологий их добычи. Одновременно началась интенсивная разработка технологий, которые позволяют использовать альтернативные источники энергии: солнечную энергию, энергию морских притоков, ветра и т.п. Ведутся поисковые работы по разработке технологий добычи и использования газогидратов. Однако, несмотря на значительный прогресс в этой области, реально на ближайшие 30-40 лет, по оценкам экспертов, основным энергетическим ресурсом остается уголь. В связи с этим США провозгласили в конце 90-х лет возвращение к «эре угля», сегодня не меньше 75% теплоэлектростанций США переведено на это топливо. Вместе с тем переход к «эре угля» на основе технологий его использования невозможен по ряду причин: технологических, экологических, экономических и других [1]. 

Актуальность.

    Большая часть проектов по возобновляемым и нетрадиционным источникам энергии в Украине, к сожалению, рассчитана на далекую перспективу. В практическом же плане, если ориентироваться на ближайшее будущее, нужно определить роль и место угольного топлива. Для Украины оно может быть решающим энергоресурсом. Однако экологические ограничения требуют разработки и внедрения новых экологически чистых угольных технологий, которые обеспечивают полноту использования топлива при максимально низкой вредной нагрузке на окружающую среду. Для угольной энергетики принципиально важен переход от прямого сжигания угля в топочных устройствах к приготовлению из угля разного качества (в том числе и из отходов углеобогащения) водоугольного топлива [3]. Водоугольное топливо (ВУТ) представляет собой дисперсную смесь, которая состоит из тонкоизмельченного угля, воды и реагента-пластификатора. Получают ВУТ сегодня из угля, углесодержащих отходов и угольных шламов (см. табл. 1) [4]. 

                                     Таблица 1 - Состав ВУТ и температурные характеристики

 

    Среди новых угольных технологий большой интерес представляет технология водоугольного топлива (ВУС, ВУТ), которая возникла в сочетании с интенсивным развитием в 50-60 г.г. прошлого века гидротранспорта угля. Необходимость сжигания обводненной угольной мелочи привела к разработке водоугольных суспензий (ВУС) и использованию их как нового вида топлива

( ВУТ – см. рис. 1) [2].

 

Pис. 1 - Итоговое производство высококонцентрированного водоугольного топлива в разных странах мира в период 1983-1995 гг.  

Обзор исследований по теме в мире 

    Идея использования водоугольных суспензий как топлива зародилась еще в 50-х годах в разных научных школах мира, в частности в Институте горючих ископаемых АН СССР. Поиски технологии их приготовления и использования диктовались необходимостью утилизации тонких угольных шламов, которые накопились в больших количествах вследствие интенсивного развития гидродобычи и гидротранспорта угля, а также при обогащении угля мокрым способом. Для исследования процессов приготовления и горения суспензий было построено несколько экспериментальных установок в США, ФРГ и других странах. Интерес к ВУТ восстановился в связи с мировым нефтяным кризисом в середине 70-х. Активизация исследований обуславливалась необходимостью снижения зависимости больших потребителей от нефтяных поставщиков. Наибольшее количество научных организаций, производственных фирм и корпораций было привлечено к проблеме в 1979-1984 годах. Больше 100 организаций в США, Швеции, Великобритании, Китае, Японии, Канаде, Италии, России, Украине и ряде других стран занимались изучением и внедрением ВУТ [5]. 

Современные технические решения  по приготовлению  водоугольного топлива 

    На сегодня за границей разработано и апробировано на экспериментальных и промышленных установках несколько технологических схем приготовления водоугольного топлива. Технологическая схема «Carbogel» включает двухстадионное измельчение с контролем крупности продукта и работой мельницы второй стадии в замкнутом цикле; двухстадионную флотацию с перечисткой пенного продукта; обезвоживание пенного продукта и смешивание его с химическими добавками.

По технологии «Densecoal» фирмы «Salzgitter Industriebau Gmb» существует около 20 схем получения ВУТ. Основные операции подобны «Carbogel»: измельчение (мокрое или сухое); классификация; обогащение флотацией; десульфуризация; гомогенизация с добавлением химических веществ. Как исходное сырье используется уголь зольностью около 11%. Технология фирмы «Nycol», которая введена в Швеции в 1981 г., для обогащения измельченного угля также предусматривает флотацию.

Для приготовления  ВУТ по технологии «Fluidcarbon» используется 4 основные стадии: мокрое измельчение в стержневых мельницах; пенная флотация с применением собирателей, пенообразователей и модификаторов; обезвоживание до влажности 20-25 % на барабанных фильтрах с добавлением ПАВ, перемешивание концентрата с водой и диспергаторами. В результате обогащения зольность твердой фазы ВУТ 2,8 %.

    Основным недостатком рассмотренных технологий являются применение флотации непосредственно перед операцией смешивания угля с химическими добавками. Этим усложняется задача получения стабильного гранулометрического состава твердой фазы, близкого к оптимальному. Распределение измельченных частичек угля по крупности в пенном и камерном продуктах флотации в значительной мере зависит от поверхностных свойств минералов, которые разделяются, и может существенно отличаться для угля с разными зольностью, степенью углефикации, окисленности. Обезвоживание флотоконцентрата на вакуум-фильтрах неизбежно приводит к удалению из него микронных частичек, которые заметно влияют на вязкость и сидементационную стойкость ВУТ.

    Указанные недостатки отсутствуют в технологии «Co - Al» фирмы «Babcock Power Ltd» (Великобритания). Особое внимание получению оптимального гранулометрического состава отводится в технологии приготовления ВУТ фирмы «Snamprogetti» (Италия). На основании вышеизложенного можно сказать, что основным процессом обогащения в промышленно освоенных технологиях приготовления ВУТ является флотация[2].

     Флотация (франц. flottation, англ, flotation, букв.- плавание на поверхности воды), разделение мелких твердых частиц (главным образом минералов) и выделение капель дисперсной фазы из эмульсий. Основана на различной смачиваемости частиц (капель) жидкостью (преимущественно водой) и на их избирательном прилипании к поверхности раздела, как правило, жидкость - газ (очень редко твердые частицы - жидкость). Осуществляют флотацию главным образом с использованием специальных веществ - флотационных реагентов (флотореагентов).

        Флотация основана на различии физико-химических свойств поверхностей разделяемых компонентов - угля и породы. При этом главную роль играет различная смачиваемость минеральных зерен водой. Природные примеси, присутствующие в углях, относятся к хорошо смачиваемым телам. Однако существующее различие в смачивамости между углем и породными примесями оказывается недостаточным для ведения процесса флотации. Поэтому с целью изменения природной смачиваемости углей в пульпу добавляют соответствующие реагенты-собиратели, которые адсорбируются на поверхности флотирумых частиц, делают их несмачиваемыми водой, а , следовательно, подготовленными к флотации. Использование различных реагентов позволило снизить зольность концентрата от 8,9% (керосин авиационный) до 7,6% (реагент ААР-2). При этом зольность отходов увеличилась от 70,1% до 76,1% соответственно. 

Обзор исследований по теме в Украине 

   В Украине же возможности строительства фабрики по приготовлению ВУТ пока что только изучаются. Недавно на базе шахты «Довжанская-Капитальная» был опробован пилотный проект по приготовлению ВУТ. По оценкам Минуглепрома Украины, внедрение новой технологии поможет предприятию ежегодно сэкономить до 10 млн. м³ природного газа.

    К сожалению, использование ВУТ пока не нашло себе места в большой энергетике. Это при том, что затраты на производство 1 Мвт/ч электроэнергии с использованием такого топлива при транспортировке его углепроводами ниже затрат, чем при пылевидном сжигании угля, доставленного железнодорожным транспортом (особенно на далекие расстояния: при дальности в 100 км - до 12%, на 1000 км - 22-32 %, 4000 км - 47-65%). Вместе с тем использование ВУТ вместо прямого сжигания угля, газа и мазута требует больших первоначальных капиталовложений, особенно на первом этапе его промышленного использования. Тем не менее, для Украины вопрос перехода промышленности на водоугольное топливо остается открытым и, наверное, в будущем с ростом технического прогресса он будет реализован. 

Экономический эффект замены газа на ВУТ на котле  ДКВР-20 

Исходные  данные и предположения

   Рассматривается экономическая эффективность замены газа на водоугольное топливо в одном из регионов Украины. За основу расчётов взяты результаты пред-ТЭО, подготовленного для котла ДКВР-20. По результатам технического осмотра сделано заключение о том, что данный котёл может быть модернизирован для использования ВУТ без потери паропроизводительности. Приведённые ниже расчёты справедливы для большинства котлов аналогичной паропроизводительности (20 т/ч). Для бесперебойного снабжения данного котла необходим комплекс приготовления ВУТ из углей ДГ Донецкого бассейна производительностью 10 т/ч (5 дней в неделю, 12 часов в день).

Источником экономического эффекта является снижение топливных  затрат на при замене газа на ВУТ. 

 Финансовые показатели проекта

     Необходимые инвестиции - до $950 тыс, в течение 10 месяцев, из них:

$650 тыс - на строительство цеха приготовления ВУТ

$300 тыс - на модернизацию котла, установку систем золоудаления, организацию инфраструктуры подачи и хранения ВУТ

Чистый дисконтированный доход (NPV) через 5 лет после начала реализации проекта: $3,7 млн

Внутрення норма рентабельности (IRR): 100%

Срок окупаемости: 30 месяцев после начала реализации проекта, 16 месяцев с момента начала работы

Динамика  основных финансовых показателей 

     Динамика основных финанасовых показателей приведена в Таблице №1.

     Для оценки объёма снижения топливных затрат при замене мазута на ВУТ использованы прогнозные значения стоимости газа и угля (строки 2 и 3 Таблицы №1). В стоимости угля учтена стоимость доставки.

      Для приготовления ВУТ рассматриваются энергозатраты в размере 19кВт*ч на 1т продукта, что включает затрат на дробление и помол (примерно 15кВт*ч/т, приготовление в ГУУМП), а также затраты на освещение и отопление комплекса приготовления ВУТ.

                                                                                              Таблыца№1

 

Основная  часть 

ВУТ имеет ряд  характерных преимуществ [6]:  

1. Экологические:  ВУТ сравнительно безопасно для  окружающей среды на всех стадиях  производства, транспортировки и  использования; в 1,5-3,5 раза снижает вредные выбросы в атмосферу пыли, оксидов азота, бензопирена, диоксида серы; обеспечивает эффективное использование отдельных компонентов золы, которая образовывается при сжигании (в частности полых микросфер).  

2. Технологические:  ВУТ подобно жидкому топливу и при переводе теплогенерирующих установок на сжигание ВУТ не требует важных изменений в конструкции котловых агрегатов; возможно сжигание в топках для слоевого сжигания твердого топлива (как дополнительное топливо), в камерных топках для пылеугольного и жидкого топлива, при сжигании в кипящем слое; дает возможность легко механизировать и автоматизировать процессы приема, подачи и сжигания топлива; технология вихревого сжигания при температуре 950-105С^о гарантирует эффективность выгорания топлива свыше 97% (при слоевом сжигании угля это значение не превышает 60%).