В статье рассматриваются анализ и поиск новых решений в направлении получения из низкосортных твердых топлив более удобных для использования энергоносителей, обладающих относительно невысокой стоимостью, таких как дисперсная система, вода — мелкодисперсный уголь — химические добавки.
Проведено математическое моделирование процесса горения капли водоугольного топлива и выполнена качественная оценка реальных процессов, протекающих при её горении в кипящем слое.
Ключевые слова: бурый уголь, водоугольное топливо, интенсифицированный кипящий слой, сжигание ископаемого органического топлива,влажность суспензии, модельные дисперсные материалы, газовзвесь
Развитие топливно-энергетического комплекса Республики Узбекистан (РУз) тесно связано с эффективным использованием местных бурых и каменных углей c повышенной зольностью и влажностью, при сжигании которых возникают проблемы с воспламенением и поддержанием устойчивого горения, а также с экологией. Поэтому актуальной является задача улучшения их потребительских свойств как энергетического топлива.
Общие геологические запасы угля в Республике Узбекистан составляют более 4,8 млрд.т., из которых разведанные — 1832,8 млн.т. Запасы бурого угля, расположенные в основном, в Ташкентской, Ферганской, Навоийской областях и в Каракалпакии, составляют 1786,5 млн.т. Запасы каменного угля, находящиеся в южных регионах республики — в Сурхандарьинской и Кашкадарьинской областях, — 46,3 млн.т. Прогнозные ресурсы угля — 323,4 млн.т. В 2013 г. объем добычи угля в Узбекистане увеличился до 4,09 млн.т (темп роста к уровню 2000 г. — 159,2 %, а к уровню 2012 г. — 101,3 %). В настоящее время добыча угля в республике ведется на трех месторождениях: Ангренском буроугольном, Байсунском и Шаргуньском каменноугольных месторождениях. Почти весь добываемый уголь — бурый, добыча каменного угля в 2013 г. составила только 20,1 тыс. т (темп роста к уровню 2012 г. — 102,5 %).
Основным потребителем угольного топлива является электроэнергетический сектор, на долю которого приходится свыше 85 % общего потребления угля. Ежегодная потребность Узбекистана в твердом топливе составляет около 4 млн.т. Главным потребителем угля в республике остаются предприятия ГАК «Узбекэнерго», потребность которых в твердом топливе — около 3 млн.т в год.
Ряд технологий преобразования углей в так называемые экологически чистые, эксплуатационно-удобные виды топлива — газообразное и жидкое в подавляющем большинстве используют сложные процессы термической или химической переработки с большими капитальными вложениями и повышенными требованиями к эксплуатации.
Анализ и поиск новых решений в направлении получения из низкосортных твердых топлив более удобных для использования энергоносителей, обладающих относительно невысокой стоимостью, объективно привели к созданию топливных дисперсных систем, вода — мелкодисперсный уголь — химические добавки.
Водоугольное топливо (ВУТ) представляет собой единую структурированную дисперсную систему, которая содержит до 50–65 % твердой фазы, состоящей из частиц микронных (40–200 мкм) фракций органических и минеральных компонентов угля, от 20 до 35 % воды, а также, если необходимо — нерастворимые в воде химические присадки (1 %) [1].
Свойства ВУТ хорошо согласуются с требованиями и преимуществами технологии кипящего слоя (КС). Прежде всего, следует отметить такие качества ВУТ как:
‒ возможность использования в качестве топлива как энергетических, так и низкосортных углей;
‒ обеспечение жестких экологических требований к уровню выбросов оксидов серы и азота с продуктами сгорания;
‒ снижение избытка воздуха в топочном процессе, поскольку содержащаяся в ВУТ вода выполняет функцию промежуточного окислителя;
‒ содержание при необходимости добавок, стабилизирующих свойства и реологические характеристики ВУТ, а также связывающих образующийся диоксид серы; — рациональное использование угольной мелочи, которая обычно составляет значительную часть добываемого угля и отходов углеобогащения; — отклонения от заданного качества ВУТ по зольности и влажности в результате изменения характеристик исходного угля или в процессе приготовления не влияют на автотермичность режима горения ВУТ в кипящем слое [2].
Автором изучена возможность получения водоугольного топлива на основе углей месторождений Шаргунское, Ангренское, Байсунское Республики Узбекистан (табл.1), а также некоторые особенности их сжигания в топочных устройствах с кипящим слоем [3].
Таблица 1
Основные качественные характеристики исходных топлив
|
Показатель |
Шаргунское месторождение |
Ангренское месторождение |
Байсунское месторождение |
|
Зольность, % |
12,5 |
19,0 |
13,2 |
|
Влажность естеств., % |
11,2 |
45,0 |
8,6 |
|
Выход летучих веществ, % на органическое вещество |
38,5 |
52,0 |
35,6 |
|
Элементарный состав, % на органическое вещество: углерод водород азот сера кислород |
85,2 5,6 1,9 5,8 6,4 |
67,3 6,2 0,75 0,64 20,7 |
73,4 5,4 1,85 3,2 6,8 |
|
Низшая рабочая теплота сгорания, кДж/кг |
7179 |
18380 |
6618 |
ВУТ было получено с использованием технологии, представляющей собой двухстадийный помол угля, на первой стадии которого в вихревой камере осуществляется сухое измельчение его крупностью от 2–4 мм до 10–30 мкм, а на второй стадии в кавитационном диспергаторе — “мокрое” дробление с образованием частиц топлива со средним размером 7–10 мкм и смешивание с водой.
Кавитационная обработка способствует деструкции молекул угля с образованием свободных радикалов, а в воде образуются атомарный водород, перекись водорода, вода в возбужденном состоянии и другие компоненты, способствующие созданию активной дисперсионной среды.
Объединив преимущества технологии получения ВУТ и сжигания в кипящем слое, появляется возможность улучшить показатели теплоэнергетического оборудования.
Проведено математическое моделирование процесса горения капли ВУТ (рис.1) и выполнена качественная оценка реальных процессов, протекающих при её горении в КС. Рассчитана длительность основных стадий термической подготовки и горения ВУТ. Как показано, продолжительность предварительных стадий прогрева капли ВУТ и испарения влаги составляет соответственно несколько секунд и несколько десятков секунд. Время горения коксового остатка значительно превосходит длительность предшествующих стадий и может достигать нескольких десятков минут. Специфической особенностью горения ВУТ является более низкая температура воспламенения, которая ниже аналогичной температуры для обычного пылеугольного топлива.
Для экспериментального исследования процесса горения ВУТ использовался универсальный стенд с кипящим слоем, основным элементом которого является камера сжигания КС с внутренней циркуляцией дисперсного материала.
Она представляет собой цилиндр из нержавеющей стали с внутренним диаметром D = 55 мм. Газораспределительная решетка изготовлена из шамотного кирпича толщиной 1,5 см, зажатого между двойными слоями жаростойкой сетки с ячейкой 0,5 мм. Высота рабочей зоны над решеткой составляет 0,5 м. На газораспределительной решетке располагается кипящий слой инертного дисперсного материала (кварцевый песок, d = 0,25 мм, кажущаяся плотность ρ = 2540 кг/м 3).
Температура КС измеряется с помощью хромель-алюмелевой термопары с открытым спаем (диаметр электродов 0,5 мм, изоляция — двухканальная керамическая соломка, помещенная в жаропрочную металлическую трубку). Камера сжигания снабжена наружным электронагревателем в виде нихромовой спирали, покрыта тепловой изоляцией из каолина и стекловаты и помещена в защитный металлический кожух, что обеспечивает минимальные потери тепла из установки.
Мощность нагревателя регулируется вручную. Для измерения вертикального профиля температуры термопара перемещается по высоте кипящего слоя. Кипящий слой создается за счет псевдоожижения мелкозернистого кварцевого песка воздухом, подаваемым с помощью компрессора. Для визуального наблюдения за поверхностью кипящего слоя и процессом горения в нем топлива на выходе из камеры сжигания закреплено зеркало.
Экспериментально на лабораторном стенде с КС подтверждена рассчитанная по моделям последовательность и продолжительность стадий горения в кипящем слое образцов ВУТ, приготовленных из разных по своим теплофизическим свойствам твердых топлив. Исследованы особенности взаимодействия водоугольного топлива с материалом кипящего слоя. Показано, что при падении капли ВУТ на слой происходит несимметричное ее разрушение, характер которого зависит как от температуры слоя, так и от влажности суспензии (рис. 2). В большинстве случаев происходит образование куска объемом до 50 % от исходной капли и множество мелких осколков.
Рис. 1. Модель горения капли ВУТ в кипящем слое: 1 — область, заполненная водой (область исходного топлива); 2 — область заполненная паром; 3 — область заполненная паром и летучими; 4 — частицы материала слоя (инерт.)
Рис. 2. Фотография агломератов ВУТ на основе Ангренского бурого угля (уголь — 60 %, вода — 40 %), извлеченных из кипящего слоя в процессе горения
Увеличение температуры кипящего слоя, с одной стороны, ускоряет подсушку поверхности, что приводит к образованию корочки, препятствующей разрушению капли, а с другой, чрезмерная интенсификация процесса испарения влаги повышает вероятность разрыва капли за счет увеличения давления внутри нее. В случае высококонцентрированных ВУТ разрушение капли практически не происходит, что способствует уменьшению уносимых из слоя мелких частиц.
Экспериментально исследована зависимость продолжительности горения капли ВУТ от используемого твердого топлива и температуры слоя. Стадии прогрева, испарения влаги и выхода летучих не рассматривались из-за сложности их определения, а также вследствие незначительной продолжительности. Показано, что длительность стадии горения ВУТ из антрацита на порядок превышает длительность горения для ВУТ из Ангренского бурого угля.
Это объясняется тем, что исходные твердые топлива характеризуются высокой пористостью и соответственно высокой внутренней влажностью, и уже начальная влажность сухого на вид топлива превышает влажность ВУТ из антрацита. Водоугольное топливо из более качественного угля Шаргуньского месторождения отличается устойчивым процессом горения, продолжительность горения капли в два раза выше, чем у ВУТ из Ангренский угля.
Повышение температуры кипящего слоя от 800 до 850оС сокращает продолжительность процесса горения исследуемых ВУТ на 8–11 с. Экспериментально изучены температурные и временные зависимости содержания оксидов серы, азота и углерода в газообразных выбросах при сжигании водоугольного топлива на основе Ангренских бурых углей в кипящем слое. Показано, что оптимальная температура слоя, при которой наблюдается минимальное количество выбросов диоксида серы, равняется 700–800оС, монооксида углерода — 800–850оС. Наблюдается некоторое повышенное содержания диоксида серы в продуктах сгорания ВУТ из Байсунского угля, что объясняется более высоким содержанием серы — 3 % против 0,64 у Ангренского бурого угля.
Установлено, что во время горения капель ВУТ повышение температуры слоя приводит к снижению выбросов оксидов азота NOx за счет формирования восстановительной среды с повышенным содержанием монооксида углерода и водорода, образующихся при газификации углерода. При этом на начальных стадиях горения (через 5–15 с после подачи ВУТ в кипящий слой) наблюдается максимум выбросов NOx. Наличие такого экстремального характера связано с преобладающей ролью реакции восстановления NOx. Подтверждается противоположная тенденция в закономерностях выбросов оксидов серы и азота в зависимости от температуры (рис.3), характерная для твердых топлив (уголь, горючие сланцы). Наибольшие выбросы оксидов серы и азота имеют место на начальной стадии горения ВУТ (10–15 с) кипящего слоя в процессе горения.
|
|
|
(а)
(б)
Рис. 3. Взаимосвязь выхода оксидов азота и серы при сжигании ВУТ на основе Ангренского (а) и Шаргуньского (б) углей через 30 с после подачи ВУТ в слой
Рассмотрена концепция эффективного использования Ангренских бурых углей путем получения ВУТ с его последующим сжиганием в топке кипящего слоя. Запасы данного бурого угля позволяют организовывать приготовление и использование ВУТ в местах его добычи. При этом можно избежать затрат на специальные меры по повышению стабильности ВУТ и его транспортировку. Получаемое энергетическое топливо дает возможность существенно улучшить теплотехнические и экологические показатели процесса его сжигания.
Таким образом, технология производства ВУТ не предполагает использование термических и химических методов обработки углей и воды. Это делает его конкурентоспособным на рынке энергоносителей. При непосредственном использовании ВУТ в топках кипящего слоя не требуется его специальной подготовки перед сжиганием, наблюдается повышение устойчивости и стабильности горения топлива, а также снижение вредных выбросов в окружающую среду.
Литература:
- Савицкий Д. П., Егурнов А. И., Макаров А. С., Завгородний В. А. Жидкое топливо на основе угольных шламов и бурого угля // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2009. № 1. С. 13–16.
- Листратов И. В., Ашуров Ф. М., Живлюк Н. Ю. и др. Опыт создания и промышленной эксплуатации установки с топкой кипящего слоя на водоугольном топливе // Пром. энергетика. 2005. № 1. С.22–25.
- Каримов А. А., Мукольянц А. А. Математическое описание движения частиц твёрдого тела и газа в интенсифицированном кипящем слое // Молодой ученый. 2016. № 3. Часть 1. С. 114–117.
