Історія розвитку водовугільного палива та стан його використання в Україні
Перший вуглепровід діаметром 200 мм був побудований в 1914 р. в Англії. Найвідомішим у світі бувмагістральний вуглепровід шахти Блек-Меса (Арізона, США), довжиною 439 км і продуктивністю 5,8 млн. т./рік. У 1964 р. енергетична компанія Peabody Energy підписала контракт з племенами «Навахо» і «Тапі» про використання їх водних ресурсів для створення гідросуміші і її подальшого транспортування на завод в Мохейві, на якому була ТЕС потужністю 790 МВт. Процес потребував великої кількості води, що викликало екологічну кризу на цих територіях. Під натиском соціальних та етнічно-релігійних рухів вуглепровід, попри технологічну придатність та економічну ефективність, був законсервований 31 грудня 2005 року.
Дефіцит водних ресурсів привів до того, що більшість вуглепроводів було заморожено або їх будівництво (Вайомінг – Техас, протяжністю 1400 миль; Колорадо – Техас, 1300 миль; Іллінойс – Флорида, 1500 миль) відкладено на невизначений термін. Незважаючи на це, інтерес до проектів вуглепроводів залишається великим.
Гідравлічний трубопровідний транспорт висококонцентрованої водовугільної суспензії (ВВС), що спалюються безпосередньо у топках котлоагрегатів ТЕС, це ефективна екологічно чиста альтернатива природному газу і нафті. У порівнянні з сухим меленим (пилоподібним) вугіллям, ВВС, використовувана для теплоенергетичних цілей, допомагає скорочувати викиди оксидів, азоту, сірки і чадного газу на 20-35%, і гарантує 99% згорання органічної маси, покращуючи екологічну ситуацію.
Інтенсивні наукові дослідження по створенню водовугільного палива і його транспортування почалися у 80-і рр. ХХ ст. в Японії, США, Італії, ФРН, Китаї, а з 1985 р. – у СРСР. Наукові організації, у співробітництві з фірмою «Снампрожетті» (Італія), розробили, збудували і запустили в експлуатацію в 1990 р. дослідно-магістральний вуглепровід Бєлово-Новосибірськ (Росія) довжиною 262 км з продуктивністю 3 млн. т. вугілля за рік на суху масу. В середині 1990-х років фінансування проекту було припинено і вуглепровід розпродали по частинах у приватну власність.
Спосіб спалювання вугілля з водою відомий в Україні уже майже чотири десятки років. Науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут "Вуглемеханізація" займався такими розробками ще у 80-х роках минулого століття. Вони навіть змонтували спеціальний котел на шахті "Лутугинська-Північна". Однак, у зв'язку з тим, що газ був дешевий, – тема втратила актуальність.
За кордоном технології-аналоги інтенсивно розробляються і впроваджуються. Так корпорація в галузі енергетики та охорони довкілля (EERC) (шт. Огайо, США) розробила технологію ”Cofiring” спільного спалювання висококонцентрованого водовугільного палива (ВВП) з традиційними паливами. Фірма "Снампрожетті", Італія – комплекс Порто Торрес з повним циклом збагачення, гідротранспортування та спалювання водовугільного палива з колумбійського вугілля продуктивністю 3,5-4,1 млн. т/рік.
В Україні, на Луганщині, успішно впроваджують технологію водовугільного палива. Воно згоряє з мінімальним хімічним і механічним недопалом, при низьких температурах і тому зменшується обсяг шкідливих викидів в атмосферу. Паливо не токсичне, добре транспортується. Вартість водовугільного енергоносія порівняно з іншими значно нижча, до того ж запасами його Україна забезпечена.
Установлена потужність теплових електростанцій (ТЕС) України становить 36,3 млн.кВт, з яких 26,1 млн. кВт розміщено на ТЕС, які спалюють вугілля, яке попередньо, у вугільних млинах, перетворюють в пиловугільне паливо. Це дозволяє розглядати вугілля, як основне паливо, здатне забезпечити теплову енергетику. До того ж при рівні видобутку вугілля 100-120 млн. т на рік, його балансових записів в Україні, вистачить більш ніж на 450 років, що значно перевищує резерви рідкого і газоподібного палива. При сьогоднішніх рівнях вироблення розвіданих запасів природного газу (1120 млрд. м3) достатньо на 50-60 років, а нафти (227 млн. т) – на 40-50 років. Наведені факти дозволяють вбачати в вугіллі, – як єдиний енергоносій органічного походження, запасів якого в Україні достатньо на тривалу перспективу. У структурі виробництва електроенергії вугілля і надалі буде відігравати істотну роль.
Ці переваги досліджені на підприємстві Державному відкритому акціонерному товаристві (ДВАТ) "Науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут "Вуглемеханізація". Активізували цей науковий напрямок два роки тому за дорученням Мінвуглепрому. Для приготування водовугільного палива спеціальним чином складається суміш дрібнодисперсного вугілля (60-65 відсотків) у співвідношенні з водою й хімічними добавками. У результаті виходить маса, яка за своїми властивостями нагадує мазут. Оскільки горить вона в парах води, то відбувається активне окиснення вуглецю. Ось тут і проявляється ефективність водовугільного палива, – у повноті згоряння вугілля.
Якщо, для порівняння, взяти шарове спалювання твердого палива в котлах (це неефективний, давній спосіб), то вуглець спалюється не повністю й частки вугілля йдуть у відвал разом зі шлаками. Недопал становить до 35 відсотків. Навіть при більш ефективному камерному спалюванні він не знижується нижче 10-15 відсотків. А коли вугілля спалюється у вигляді водовугільного палива, недопал становить лише 2-3% . Викиди в атмосферу шкідливих речовин зменшуються тоді в 3-5 разів, а іноді й на порядок. Водовугільне паливо до того ж не токсичне й вибухобезпечне. У приготовленому вигляді воно перевозиться різними способами, зберігає стабільність і властивості. Його можна транспортувати залізничними й автоцистернами, а можна перекачувати трубопроводами (методом гідротранспортування). Вартість такого виду палива порівняно з іншими значно менша. Якщо всі ці особливості об'єднати, то маємо комплекс економічних переваг. Візьмемо таке порівняння, як вартість однієї одиниці тепла, отриманої при спалюванні різних видів палива: то вартість 1 калорії тепла, отриманого шляхом спалювання водовугільного палива, в 2 - 2,5 рази менша, ніж при спалюванні природного газу, і в 2,5 - 3 рази менша порівняно з мазутом.
Для України відкривається можливість досягнення подвійного результату. По-перше, це заміна природного газу, по-друге, новий поштовх розвитку вугільної промисловості. Якщо раніше вважалося, що для приготування водовугільного палива придатні тільки високореактивні види вугілля, то за останні два роки "Науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут "Вуглемеханізація" став використовувати навіть антрацити й відходи збагачування з високою зольністю. Це найсерйозніша розробка. Тепер луганські вчені вміють з максимальним ефектом спалювати вугілля від 4 до 50 відсотків зольності. Це означає, що можна позбутися "вуглезалишків" - шламів і шахтних "хвостів - терриконів", які неминуче залишаються при виробництві, забруднюючи атмосферу, псуючи краєвид. Нині виконують практичні роботи на збагачувальній фабриці "Комендантська", а також на "Свердловській", де донедавна антрацити, при збагаченні, сушили за допомогою спалювання сортового вугілля. Там для сушіння вугілля після збагачення традиційно застосовували природний газ, витрачаючи його для цих потреб за рік близько 10-12 млн куб. м. Науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут "Вуглемеханізація" запропонував спалювати їхній промисловий продукт, на основі штибів,– готуючи водовугільне паливо.
Науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут "Вуглемеханізація" пройшов всю наукову частину, завершив експериментальні випробування, провів низку дослідних спалювань, створив на своїй експериментальній базі установку для приготування водовугільного палива й установку для його спалювання різними методами (у вигляді факела, у притопках, у киплячому шарі), перейшов до практичної реалізації впровадження методу на десятках об'єктів - у Свердловську, Ровеньках, Антрациті, Красному Лучі, Нововолинську. Підготував галузеву програму щодо застосування водовугільного палива на котельнях Мінвуглепрому. Після її розгляду на засіданні "круглого столу" з питань енергозбереження в Києві (у жовтні минулого року) Кабмін ухвалив рішення поширити метод і на соціальні об'єкти. До речі, такий досвід є в Канаді, США, Китаї, Італії.
На виконання рішення Кабінету Міністрів Науково-дослідний і проектно-конструкторський інститут "Вуглемеханізація" скорегував свою програму, яку затвердив міністр вугільної промисловості. Направив свої пропозиції до місцевих рад і облдержадміністрацій усіх вугледобувних регіонів країни для того, щоб протягом найближчих трьох-п'яти років перейти на широке використання водовугільного палива.
На сьогодні науковцями України виконані наступні проекти:
- Розроблена методика розрахунку горіння одиночної краплі водовугільної суспензії, надалі (ВВС), у високотемпературному середовищі топкового простору і розрахунковим шляхом визначено вплив параметрів і складу ВВС на фізико-механічні і теплотехнічні характеристики водовугільного палива.
- Розроблене методичне і програмне забезпечення дозволяє проводити параметричні дослідження по вибору оптимального складу ВВС залежно від марки вугілля що використовується і розмірів крапель ВВС.
- Розроблено конструкторську документацію на промислову установку по приготуванню тонкодисперсного водовугільного палива з продуктивністю, яка достатня для роботи ТЕЦ середньої потужності. Загальний вигляд якої наведено на фото.
- Видано практичні рекомендації по застосуванню кавітаційно-імпульсної технології отримання водовугільного палива для прямого спалювання в казанах ТЕЦ.
Також експериментально було доведено, що розроблена конструкція диспергатора кавітаційно-імпульсної установки з виробництва тонко дисперсного водовугільного палива (надалі - ДКІ), дозволяє отримати водовугільну суспензію, якість якої задовольняє вимогам до водовугільного палива для прямого спалювання в котлах ТЕЦ.
Отримані результати мають практичне застосування при проектуванні технологічних ліній для переводу ТЕЦ з технологій спалювання газу або мазуту на перспективне, екологічно чисте водовугільне паливо. Запропонована технологія дозволяє істотно зменшити споживання газу і мазуту при виробництві теплової і електричної енергії
Розроблене методичне і програмне забезпечення дозволяє розрахунковим шляхом проводити вибір оптимального складу водовугільної суспензії (ВВС) і розміру крапель для її спалювання. Це дозволяє на етапі проектування технологічного устаткування при реалізації кавітаційно-імпульсної технології приготування ВУС вибрати раціональні робочі параметри диспергатора для конкретного теплового котла ТЕЦ.
Подальші роботи доцільно продовжити і направити на дослідження процесів горіння різних по складу ВВС, отриманих із застосуванням запропонованої технології та розробку ефективних конструкцій форсунок та вибір їх оптимальних параметрів для подачі водовугільної суспензії в топку котла. Це дозволить здійснити модернізацію більшості теплових котлів ТЕЦ і переходу на використання водовугільної суспензії як палива.
Основні результати виконаних науково-дослідних робіт було втілено в наступні розробки:
1. Розроблена принципово нова технологія отримання водовугільної суспензії з використанням диспергатора кавітаційно-імпульсного «ДКІ».
2. Розроблений, виготовлений і експериментально відпрацьований кавітаційно-імпульсний генератор для диспергування водовугільних суспензій з разных марок вугілля.
3. Визначено діапазон сталої роботи кавітаційно-імпульсного диспергатора, як на воді, так і на водовугільній суспензії з складом вугілля до 65%, який за переметром кавітації складає 0,10 - 0,56, при цьому частота і амплітуда коливань тиску рідини на виході генератора практично не залежить від складу суспензії. Частота коливань тиску на виході генератора із збільшенням параметра кавітації лінійно зростає, а величина амплітуди коливань тиску рідини на виході генератора спочатку зростає, досягаючи максимальних значень при співвідношенні Р2/Р1 рівному 0,18 – 0,22, а потім плавно зменшується.
4. Показано, що при одному проході через кавітаційно-імпульсний генератор забезпечується отримання стійкої водовугільної суміші з процентним змістом бурого вугілля до 65% і ступенем дисперсності менше 5 мкм.
5. Досліджено вплив дисперсності вугільних частинок і складу ВУС різних марок вугілля на теплотворну здатність палива, ефективність його спалювання, теплоємність і коефіцієнт теплопровідності.
6. Розроблена методика розрахунку горіння одиночної краплі ВУС у високотемпературному середовищі топкового простору, яка реалізована у вигляді спеціального програмного забезпечення.
7. Розрахунковим шляхом встановлено, що час вигорання краплі водовугільної суспензії квадратично зменшується при зменшенні її діаметру, і для розмірів вугільних частинок менше 20 мкм забезпечуються раціональні умови горіння, а дисперсність вугільних частинок на рівні 5 мкм, що отримується при кавітаційно-імпульсній технології приготування ВВС дозволяє істотно зменшити розмір краплі при її распилі у топковий простір котла і в рази підвищити енергетичну потужність теплового устаткування..
8. Досліджено вплив вологості ВВС і зольності її вугільної складової на час вигорання висохлого каркаса краплі ВВС, на зміну її температури, а також температури і складу газового середовища в процесі ізобаричного горіння.
9. Розроблене методичне і програмне забезпечення дозволяє проводити параметричні дослідження по вибору оптимального складу ВВС залежно від марки використовуваного вугілля і розмірів крапель ВВС. Це дозволяє рекомендувати його для проведення параметричних досліджень по вибору оптимального складу водовугільного палива залежно від марки використовуваного вугілля і розмірів крапель водовугільної суспензії.
10. Експериментально показано, що розроблена конструкція кавітаційно-імпульсної установки по виробництву тонко дисперсного водовугільного палива «ДКІ» дозволяє отримувати водовугільну суспензію, якість якої задовольняє вимогам до водовугільного палива для прямого спалювання в котлах ТЕЦ.
11. Видано практичні рекомендації по застосуванню кавітаційно-імпульсної технології отримання водовугільного палива для прямого спалювання в котлах ТЕЦ.
12. Розроблена конструкторська документація на промислову установку по приготуванню тонкодисперсного водовугільного палива продуктивність якої достатня для ТЕЦ середньої потужності.
Отже, висновок з вище приведеного матеріалу такий ? було б бажання, а практичне здійснення цих технологій використання водовугільної суспензії в якості палива стане одним з шляхів до енергетичної незалежності України.Цитування та використання будь-яких матеріалів порталу Etar на інших сайтах дозволяється лише з гіперпосиланням: www.etar.com.ua
в начало
