Задачи и эффективность внедрения инновационных экологически чистых и экономически выгодных технологий использования углей

Отмечается, что альтернативная энергетика Казахстана пока находится на начальном этапе становления и покрытие растущего энергопотребления возможно только за счет традиционных источников, среди которых превалирует угольная энергетика. Рассматриваются технологии производства и сжигания водоугольного топлива, близкого по физическим свойствам к топочному мазуту. Делается вывод, что внедрение технологий производства и сжигания водоугольного топлива на объекты энергетики актуально для Казахстана и позволяет снизить топливные затраты, увеличить эффективность использования угля и уменьшить вредные примеси. Уделяется внимание передовой технологии сжигания отходов углеобогащения в виде КаВУТ (кавитационного водоугольного топлива). 

Актуальность разработки новых экологически чистых и экономически выгодных технологий использования углей

На сегодняшний день центральным направлением энергетической стратегии Казахстана является увеличение доли угля в ТЭБ на основе модернизации и новой инновационной политики развития угольной энергетики. Дело в том, что угольные электростанции – наиболее «грязный» источник генерации энергии. Эксплуатация угольных электростанций сопровождается эмиссией оксидов серы и азота, тяжелых металлов и хранением больших объемов золы, образующейся в результате сжигания углей.

Кроме того, сжигание угля не всегда производится эффективно. Например, механический недожог на котельных со слоевым сжиганием может превышать 30% (то есть только 70% угля выгорает, остальное уходит в неутилизируемый угольный шлак). Устаревшее котельное оборудование казахстанских ТЭЦ и применяемые в отечественной энергетике технологии пылеугольного и слоевого сжигания угля не могут в полной мере удовлетворять современным требованиям энергоэффективности и экологическим нормам по эмиссии вредных веществ [1; 88].

Данное обстоятельство предполагает, что возвращения угля в энергетику возможно только при условии его облагораживания, что делает актуальной задачу поиска, тестирования и продвижения технологически, экологически и экономически более эффективных и безопасных новых технологий. Главными задачами внедрения таких технологий в энергетику страны являются снижение механического недожога угля и снижение эмиссии вредных веществ. 

Технология сжигания угля в кипящем слое Поскольку одной из основных проблем в теплоэнергетике остается разработка экологически «чистых» угольных технологий, в основе одной из них лежит технология сжигания в кипящем слое – пузырьковом и циркулирующем.

Циркулирующий слой используется в основном в котельных установках производительностью более 35 т/ч пара. В промэнергетике преимущественно работают котлы с пузырьковым кипящим слоем. Основная особенность сжигания угля в кипящем слое состоит в том, что количество угля в нем составляет 510% от общей массы слоя, т. е. кипящий слой является идеальным муфелем, термически инерционным и стабильным [2; 186].

В результате этого изменение свойств топлива меньше сказывается на работе котла с КС по сравнению с другими способами сжигания. Поэтому часто технология сжигания в кипящем слое (КС) является единственно приемлемой при сжигании низкосортных топлив и отходов угледобычи и углеобогащения.

При этом температура слоя обычно находится в пределах 800-900°С, что исключает образование термических окислов азота и благоприятна при связывании окислов серы, реализуемой за счет добавления сорбента (обычно известняка). Это делает технологию сжигания твердых топлив в кипящем слое одной их наиболее экологически чистых.

Обычно единичная электрическая мощность блоков с пузырьковым кипящим слоем не превышает 160 МВт из-за сложностей, связанных с организацией равномерной подачи топлива в кипящий слой большой площади, а также низкой тепловой нагрузкой котла на единицу площади пода из-за низких скоростей подачи воздуха под решетку, связанных с проблемами уноса. Следует отметить, что технология сжигания углей в пузырьковом слое прошла все этапы экспериментальных исследований как у нас, так и за рубежом, а также этапы промышленного внедрения. 

Эколого-экономическая эффективность сжигания угля в форме водоугольного топлива (ВУТ)

Задачи возвращения угля в большую энергетику определяют инновационные приоритеты на всех фазах угольного энергетического цикла «второй угольной волны» от добычи, транспортировки, переработки, хранения до эффективного сжигания и утилизации продуктов горения. Возвращение угля в энергетику не должно быть возвратом к архаичным способам его сжигания.

Оценка инновационного развития угольной энергетики должна быть системной и учитывать все (экономические, технологические, экологические, социальные) получаемые от инноваций эффекты и изменения, как в отдельной организации, так и в отраслевом, региональном и национальном масштабах трансфертов.

Внедрение инноваций должно идти последовательно.

Первоочередная задача при этом — повысить безопасность производственных процессов. В среднесрочной и особенно долгосрочной энергетических стратегиях Казахстана перспективы модернизации угольной отрасли и внедрение инноваций должны быть ориентированы на ее диверсификацию.

Приоритетами данном случае становятся внедрение передовых технологий по обогащению угля, производство эффективного и экологически безопасного «чистого» угольного топлива.

Среди перспективных технологий наиболее привлекательными являются: водоугольное топливо (ВУТ), микроуголь, КаВУТ и Нано-уголь [3; 55].

Особенно одной из перспективных программ развития энергоэффек-тивной экологически чистой угольной энергетики может стать переход от прямого сжигания угля в различных топочных устройствах на приготовление водоугольного топлива (ВУТ) из углей различного качества, в том числе из отходов угольного обогащения.

Сжигание угля в форме водоугольного топлива (ВУТ) обладает рядом экономических, экологических и эксплуатационных преимуществ по сравнению с пылевидным и, особенно, слоевым сжиганием. ВУТ было масштабно апробировано на множестве энергетических объектов в мире и в настоящее время массово используется прежде всего в Китае [4-6].

Применение ВУТ позволяет увеличить эффективность сжигания угля, утилизировать угольные шламы, уменьшить взрывоопасность тонкодисперсной угольной пыли на энергетических котлах, снизить количество выбросов в атмосферу оксидов азота и оксидов серы.

ВУТ – это новое искусственное композиционное топливо, полученное в процессе кавитации и диспергации компонентов, на базе угля, воды и композиционных составляющих. Это не механическая смесь компонентов, а коллоидно-дисперсная топливная система. В этой системе нет по отдельности ни угля, ни воды, ни других компонентов: все компоненты топлива активны.

В основе процесса его производства лежит механохимическая активация участвующих компонентов, при котором практически полностью разрушается структура угля с разделением его на отдельные органические и минеральные компоненты с химически активной поверхностью частиц. Участвующая в процессе производства топлива вода также претерпевает ряд превращений, при которых образуется химически активная дисперсионная среда с компонентами ионного и анионного вида [7; 64].

Водоугольное топливо (ВУТ) – стабильное, экологически чистое на всех стадиях производства и использования, пожаро — и взрывобезопасное топливо из угольных шламов с концентрацией твердых веществ не менее 60%, воды – 39 % и органического пластификатора – 1 %.

Как известно, в России на практике был реализован проект получения высококонцентрированной водоугольной суспензии (ВВУС) из угля, добытого на шахте «Инская» в г. Белово, и транспортировки ее по углубленному углепроводу на 262 км в г. Новосибирк на ТЭЦ-5 мощностью 3 млн. т в год. За 19891997 гг. на оборудовании и сооружениях углепровода было приготовлено, транспортировано и сожжено на теплоэлектростанции около 400 тыс. т при зольности исходного угля 16,5 %. В итоге, не удалось достичь стабильных проектных показателей, как из-за человеческого фактора, так и из-за снижения внимания к углепроводу со стороны властей.

Решением Межведомственной комиссии Минэнерго России в конце 2003 г. было признано нерациональным его восстанавливать (разморожен) и рекомендовано продать по частям, что в настоящее время и делается [8; 86].

Кстати, в 90-е годы прошлого столетия, ввиду низких цен на основной энергоноситель (газ) развитие ВУТ было практически приостановлено во всем мире. Однако в последующие годы рост цен на нефть и газ выдвинул внедрение ВУТ снова в ряд приоритетных программ угол ьной промышленности развитых стран.

Вместе с тем современные масштабы использования водоугольного топлива в структуре мировой энергетики несопоставимо малы по сравнению с потенциалом, заложенным в использование ВУТ. Причиной тому является неэффективность технологий производства ВУТ. Эти технологии характеризуются многостадийностью, высокими энергозатратами, необходимостью использования дорогостоящих пластификаторов и значительной стоимостью оборудования для приготовления ВУТ.

Для устранения вышеперечисленных недостатков приготовления ВУТ и снижения себестоимости его производства российской компанией «Амальтеа-Сервис» разработан и успешно внедрен в производство коммерчески эффективный инновационный метод приготовления ВУТ на основе гидроударного узла мокрого помола (ГУУМП). Технология ГУУМП основана на том, что сырье для получения ВУТ (уголь) является хрупким на растяжение материалом, прочность которого на растяжение или изгиб обычно в 6-12 раз меньше прочности на сжатие.

Для измельчения угольного сырья в технологии ГУУМП используется свободный удар. Помольная камера ГУУМП состоит из двух вращающихся в противоположные стороны роторов (корзин), насаженных на отдельные соосные валы. На дисках роторов по концентрическим окружностям расположены ряды ударных элементов (пальцев – бил). Каждый ряд пальцев одного диска свободно входит между рядами пальцев другого диска. Уголь, подлежащий измельчению, перемещаясь с водой, поступающей по патрубку, подается в центральную часть ротора и движется к периферии под действием центробежной силы, подвергается многократным ударам пальцев, вращающихся с высокой скоростью во встречных направлениях. Переменнопротивоположное движение зерен угля способствует их диспергированию в воде по мере продвижения материала к выходу камеры. Вода в реализуемом способе измельчения не только передает кинетическую энергию частицам угля, но и снижает прочность измельчаемого твердого тела, облегчая его разрушение.

Большая размольная мощность ГУУМП удачно дополняется высокой избирательностью измельчения, поскольку энергия удара пропорциональна массе частицы угля, то при достижении частицами определенных минимальных размеров их дальнейшее измельчение прекращается. Таким образом, ГУУМП позволяет получать водоугольную суспензию требуемого гранулометрического состава с минимальным содержанием переизмельченных частиц и полным отсутствием крупных зерен в открытом цикле помола без использования сепараторов [1; 90].

В целом гидроударная установка мокрого помола (ГУУМП) имеет ряд следующих преимуществ [9; 56]:

ГУУМП является компактным устройством рамной конструкции, не требует наличия фундамента, что снижает затраты на строительно-монтажные работы и позволяет реализовать линию приготовления ВУТ в модульном исполнении;

  • энергозатраты на приготовление ВУТ более чем в 5 раз ниже традиционных способов приготовления в вибромельницах;
  • отсутствует необходимость применения сепараторов и замкнутых схем помола. Из технологической схемы исключены промежуточные емкости, служащие для сбора рециркулята ВУТ, большие объемы которого так характерны для кавитационной технологии;
  • открытый цикл помола, а значит отсутствие рециркуляции, дополнительно снижает затраты на перекачку ВУТ, упрощает обслуживание линии приготовления, позволяет снизить штат обслуживающего персонала;
  • выход продукта помола начинается примерно через 40-45 минут после включения ГУУМП в работу;
  • ГУУМП является устройством приготовления ВУТ принципиально нового типа, лишенным недостатков предшествующих технологий: высоких энергозатрат, сложности технологической схемы, необходимости применения реагентов.

Последние разработки Амальтеа, опыт применения ВУТ в Америке, Японии и, особенно, в Китае, позволяет утверждать, что в большинстве случаев целесообразнее создавать запасы угля стандартным способом, а приготовление ВУТ осуществлять ближе к моменту его предполагаемого сжигания.

Подобная схема позволяет избежать затрат на специальные меры по повышению стабильности ВУТ. 

Технологии «микроугля», кавитационного приготовления водоугольного топлива (КаВУТ) и «Нано-угля»

Т е х н о л о г и и « м и к р о у г л я » разрабатываются сейчас в соседной России в Институте теплофизики СО РАН. Преимуществами ультратонкого помола (35-40 микрон) являются: значительное увеличение площади твердой поверхности; высокая интенсивность горения; эффект механической активации; снижение выбросов NOх.

Возможное применение: как основного топлива для небольших газомазутных котлов; использование микроуглей вместо газа и мазута для воспламенения и розжига крупных котлов на твердом топливе; прямое сжигание микроуглей в газотурбинных установках. Проблемы: большие энергетические затраты на микропомол; малотоннажность существующих мельниц; взрывоопасность угольной пыли; высокая абразивность топлива [3; 55].

Преимущества КаВУТ как экологически чистого топлива заключаются в снижении токсичности во всех технологических операциях (приготовление, транспортирование, хранение, использование); сокращении взрыво — и пожароопасности во всех технологических операциях; в отсутствии опасности загрязнения воздуха, почвы и водоемов при хранении и транспортировании; уменьшении вредных выбросов в атмосферу при сжигании.

Приготовление КаВУТ характеризуется высоким уровнем местного динамического компрессионного и температурного воздействия на обрабатываемый материал (до 2000°С и 25000 атм), в результате чего твердый компонент смеси (уголь) измельчается до высокой степени дисперсности, а суспензия приобретает новые свойства, выгодно отличающие ее от получаемой традиционным способом, в том числе [10; 70]:

  • стабильность на протяжении длительного времени (контрольные образцы выдерживались около трех лет) и пластичность без каких-либо присадок при содержании твердого до 70 %;
  • полностью высушенное или частично обезвоженное топливо переходит при добавлении воды в состояние устойчивой суспензии без механического воздействия;
  • топливо не увеличивает объема при замерзании, а после, размораживания восстанавливает свои исходные свойства.

Перечисленные качественные показатели КаВУТ получены в результате лабораторных исследований образцов топлива, приготовленного на действующей установке производительностью 30 т/ч.

КаВУТ и ультрадисперсный угольный гель обладают большой реакционной способностью по сравнению с исходным топливом, меньшей температурой в ядре факела (1200° С); высокой степенью выгорания (до 99,5 %).

Важнейшим достоинством сухого и жидкого загущенного Нано-угля при его хранении является восстановление всех реологических свойств после высыхания, брикетирования и т. д. простым погружением или заливкой водой без какого-либо размалывания или перемешивания [3; 55].

Традиционно к отходам угольной энергетики относятся отходящие газы, шлак и зала. Шлак при сжигании КаВУТ и Нано-угля не образуется.

Количе ство вредных веще ств, образующихся при сжигании различных видов топлива, представлено в табл. 1.

Таблица 1. Количество вредных веществ в выбросах при сжигании различных видов топлива

 

Наряду с очисткой воздуха следует постоянно следить за чистотой земли. Серьезной проблемой является загрязнение почвы, когда отходы производств, в том чиле и углеперерабатывающих предприятий, не утилизируются, а поступают на свалки. Это привело к тому, что сегодня определенная часть территории республики находится в бедственном экологическом состоянии.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. 1.Архипкин О., Морозов А. Современные подходы к использованию водоугольного топлива в энергетике // Промышленность Казахстана. – 2011. – № 3 (66). – С. 88-91.
  2. 2.Корчевой Ю. П., Майстренко А.Ю., Топал А.И. Экологически чистые угольные энерготехнологии. – Киев: Наука думка, 2004. – 186 с.
  3. 3.Давыдов М.В. Облагороженный уголь – стабильный и надежный ресурс российской электроэнергетики // Уголь. – 2011. – № 9. – С. 54-56.
  4. 4.Coаl-Water Slurry Fuel Combustion. http://www/energy.psu.edu/sp/ cwsfcomb.html.
  5. 5.Бекишев К.Б., Каренов Р. С. Экологоэкономические проблемы рекультивации нарушенных горными работами земель: Монография. – Караганда: Издательство КарГУ, 2013. – 178 с.
  6. 6.Делягин Г.Н., Корнилов В. В., Кузнецов Ю. Д., Чернегов Ю. А. Совершенствование водоугольного топлива и перспектива его применения // Приложение к научнотехническому журналу «Экономика топливноэнергетического комплекса России». – М: ВНИИ ОЭНГ, 1993. – 31 с.
  7. 7.Стариков А.П., Снижко В.Д. Пути решения экологических проблем на современном угледобывающем предприятии // Уголь. – 2008. – № 9. – С.64-67.
  8. 8.Черных Н.Г. Обоснование новой концепции и принципов обеспечения технологической и организационной устойчивости получения угольного топлива // Уголь. – 2012. – № 5. – С. 86.
  9. 9.Морозов А.Г., Коренюгина Н.В. Гидроударные технологии в произ-водстве водоугольного топлива // Уголь. – 2009 – № 11. – С. 54-56.
  10. 10.Бурдуков В.П., Матузов С.В. Сжигание отходов углепереработки в котле кипящего слоя // Уголь. – 2012. – № 12. – С. 69 -72.
Год: 2015
Город: Костанай
Категория: Экономика