Водоугольное топливо на основе бурого угля Ангренского месторождения

АННОТАЦИЯ

Разработана технология получения высокоэффективного водо-угольного топлива (ВУТ) со степенью выгорания 99,5% и температурой горения 950-1050 ^оС на основе Ангренского бурого угля и поверхностно активного вещества ОП-10, отличающаяся от традиционных технологий тем, что для гомогенизации водоугольной массы и повышения устойчивости суспензии применён «Кавитатор» простой конструкции. При использовании ВУТ в качестве основного топлива в паровых котлах для получения пара в целях пропарки бетона срок высыхания бетона до 70% прочности становится равным 30-52 часам, против положенных 28 дней при обычным способе сушки и до 100% прочности - менее 15 дней и наблюдается существенное снижение (до 1,5-3,5 раза) вредных выбросов в атмосферу.

ABSTRACT

A technology has been developed for the production of highly efficient coal-water fuel (HWF) with a burnup rate of 99.5% and a combustion temperature of 950-1050 ° C based on Angren brown coal and OP-10 surfactant, which differs from traditional technologies in that for homogenization of coal-water mass and to increase the stability of the suspension, a "Cavitator" of a simple design was used. When using HWF as the main fuel in steam boilers to obtain steam for steaming concrete, the drying time of concrete to 70% strength becomes equal to 30-52 hours, against the prescribed 28 days with the usual drying method and up to 100% strength - less than 15 days and is observed significant reduction (up to 1.5-3.5 times) of harmful emissions into the atmosphere.

Ключевые слова: Водо-угольное топливо, бурый уголь, поверхностно-активное вещество, степень выгорания, зола, теплота сгорания.

Keywords: Water-coal fuel, brown coal, surfactant, degree of burnout, ash, heat of combustion.

Введение. Развивающая тенденция к поиску альтернативных источников  энергии в мировом масштабе связана с возникающей необходимостью замены дорогостоящего топлива более дешевым и доступным, тем самым уменьшая топливную составляющую себестоимости готового продукта промышленных предприятий. Учитывая тот факт, что при ожидаемой выработке основных месторождений нефти и газа, запасы которых в десятки раз меньше, структура потребления энергоресурсов будет изменяться в сторону увеличения потребления угольного топлива.

Значение угля для индустриального развития Узбекистана при дефиците газа огромное. Однако, несмотря на то, что хотя уголь гораздо дешевле газа и мазута, при его использовании в чистом виде возникает ряд трудностей, которые усложняют работу персонала, не обеспечивая гарантии безопасности и нормальные санитарно-гигиенические условия работы. В этой связи, возникает необходимость изыскания более эффективных способов использования угольного топлива в промышленности, коммунально-бытовой и других сферах.

Водоугольное топливо (ВУТ) представляет собой дисперсную топливную систему, состоящую из тонкоизмельченного угля с размерами частиц 100-500 мкм, воды и реагента-пластификатора. Концептуально относясь к технологии «CLEAN COAL», ВУТ обладает рядом экологических, технологических и экономических преимуществ на всех стадиях его производства и использования: обладает низким процентом отходов при сжигании (с полнотой сгорания не ниже 95%), что упрощает решение сложной задачи по улавливанию летучей золы; его стоимость ниже стоимости мазута в два-четыре раза и не превышает 15-20 процентов от цены исходного угля на месте его добычи при возможности использования углей любых марок; его можно применять подобно жидкому топливу при полном механизировании и автоматизировании процесса приёма, подачи и сжигания и др.[1-4,8]. Исходя из этого, изучение возможностей использования водоугольного топлива в технологических схемах производства строительных материалов в качестве топлива с целью экономии тепла и повышения качественных показателей готовой продукции является актуальной задачей промышленности строительных материалов Узбекистана.

В данной работе приводятся результаты проведенных исследований по разработке технологии получения ВУТ на основе бурых углей Ангренского месторождения и дальнейшего применения его в качестве эффективного вида топлива в котлах производственного назначения с целью получения пара для использования в процессе сушки бетонных изделий методом пропарки.

Методы и объекты проведенных исследований.

При изучении процессов, сопровождающих цель исследования были использованы общепринятые методы изучения строительных материалов, принятые в силикатной технологии и теплотехнические расчетные работы, связанные с горением твердого топлива и ВУТ.[6,9].

Выбор угольного топлива для получения ВУТ производился на основе анализа основных критериев, к которым относятся: низшая теплота сгорания рабочего топлива, массовая доля общей влаги в рабочем состоянии топлива, зольность, размер кусков и стоимость. На их основе нами был выбран уголь Ангренского месторождения марки 2БПК, качественные характеристики которого приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Технологические показатели Ангренского угля марки 2БПК

В качестве пластификатора был использован продукт ЧП «Max Luxe Service» ОП-10, который представляет собой высокоэффективное поверхностно активное вещество в виде густой прозрачной жидкости светло-желтого цвета с удельным весом 1,06 г/см³. Массовая доля основного вещества составляет 53%. Показатели свойств пласификатора приведены в таблице 2.

 Таблица 2.

Характеристика пластификатора ОП-10

Учитывая тот факт, что для приготовления ВУТ можно использовать воду любого качества, включая шахтные и промышленные, нами для этой цели была использована обычная питьевая вода. Был определен компонентный состав ВУТ на основе изучения его основных физико-технических показателей, таких как температура воспламенения, температура горения и степень выгорания. Оптимальный состав ВУТ был следующим: Ангренский уголь марки 2БПК-70%, вода-30% и ПАВ в виде ОП-10- 1 % (сверх 100%). Температура воспламенения составляла 550⁰С, температура горения- 950-1050⁰С, а степень выгорания достигала до 99,55%.

Водоугольное топливо можно представить в виде двухфазной водно-дисперсной системы со средним размером угольных частиц 50-100мкм, дальнейшее повышение степени помола угля при этом требует больших энергетических затрат. Основным недостатком ВУТ является низкая устойчивость из-за недостаточной прочности системы «жидкость-твердая фаза», даже при наличии фиксирующих добавок пластификаторов в количестве 1-3%.

Для повышение устойчивости водоугольной суспензии требуется доработка топливной композиции. Данная задача может быть выполнена с помощью кавитационной обработки. В разработанной нами технологической схеме получения ВУТ смешивание угольного порошка с водой и технологическими добавками происходит в кавитаторе, основной функцией которого и является доработка топливной композиции. Кавитационная обработка способствует деструкции молекул угля, который распадается на отдельные органические составляющие с активной поверхностью частиц и большим количеством свободных органических радикалов частиц размером 5-10 микрон. В предлагаемом нами кавитаторе вместо вала с лопастями установлен обычный вал без лопастей. Исключение лопастей в вале компенсируется более высоким давлением подаваемым электронасосом. Интенсивное воздействие на жидкость микроударов, кавитационных разрывов, растяжений и ультразвуковой вибрации приводит к измельчению частиц дисперсной фазы и образованию устойчивых эмульсий и суспензий.

Кавитационная обработка также влияет на состояние воды, в ней образуются атомарный водород, перекись водорода Н₂О₂, вода в возбужденном состоянии и другие компоненты, в результате чего происходит образование активной дисперсной среды, насыщенной компонентами ионного и катионного типа. Полученное по этой технологии ВУТ характеризуется повышенной реакционной способностью и высокой устойчивостью и может храниться без разрушения достаточно долгое время [5].

На основе полученных данных нами разработана технология получения ВУТ из сырьевых компонентов Узбекистана. Она состоит из 3 основных частей:

- Дробление угля

- Мокрый помол и гомогенизация

- Хранение ВУТ

Ангренский бурый уголь автотранспортом доставляется к месту приготовления ВУТ. В случае превышения размера зерен угля 12 мм производится его дробление с помощью валковых дробилок, после чего уголь поступает на бункер дробленного угля и ленточным конвейером поступает на мокрый помол и гомогенизацию. Сюда же поступают с помощью насоса вода с дозированным количеством ПАВ ОП-10. Мокрый помол водоугольной суспензии осуществляется в шаровой мельнице, поскольку энергия затрачиваемая на раскол частиц угля существенно меньше чем энергия сжатия. При добавке ПАВ благодарю смешиванию с водной средой происходит равномерное распределение ПАВ между частицами угля, снижается прочность контакта между частицами угля вследствие образования структурированных адсорбционных слоев. ПАВ предотвращает обычное агрегирование частиц то есть каогуляцию. Для повышения однородности водоугольной суспензии после мокрого помола, суспензия поступает в кавитатор, где происходит доработка топливной композиции и увеличивается степень однородности приготовленной суспензии. Комплекс промежуточного накопления водоугольного топлива предназначен для хранения ВУТ и его дозированной подачи на котел. Большая часть дополнительного оборудования, которая подключается к узлу мокрого помола и гомогенизации может быть изготовлена по месту объекта.

К ним относятся:

- Промежуточная емкость для воды и ВУТ

- Насосы для воды

- Трубопроводы

Сжигание ВУТ осуществляется с помощью форсунки для распыла, который состоит из распылителя и держателя. Распылитель предназначен для дозированной подачи и распыления ВУТ в котле или предтопке. Подача ВУТ на сжигание осуществляется насосами из емкостей хранения через перемешивающее устройства. ВУТ сжигается путем распыления в факеле. Сам процесс горения происходит при 950-1050⁰ С.

Рисунок 1. Технологическая схема получения ВУТ.

Обширные и длительные исследования свойств ВУТ показали, что наиболее востребованной на применение водоугольной технологии является малая энергетика, в число которых входят котлы производственного назначения [7]. Исходя из этого, нами проводились исследования по использованию пара от горения ВУТ в парогенераторе в качестве пропарочного компонента на стадии сушки бетонных стеновых изделий. При этом, ориентировались на показателях калорийности и температуры образующегося пара при сжигания ВУТ. Максимальная температура пара при этом была в пределах 193-200⁰С. ВУТ будет доставляться в котельную в готовом виде и хранится в закрытых емкостях. Подача ВУТ на сжигание осуществляется насосами из емкостей хранения через перемешивающее устройства. ВУТ сжигается путем распыления в факеле. Сам процесс горения происходит при 950-1050⁰ С.

В таблице 3 приводятся данные по сопоставлению условий сушки бетона методом естественного высыхания и пропарки.

Таблица 3.

Условия сушки бетона

Как видно из данных таблицы, при использовании парогенераторов и пропарочных камер значительно сокращается время сушки изделий из бетона. Так, вместо положенных 28 дней, срок сушки бетона до 70% прочности составляет 30-52 часов, а до 100% - менее 15 дней.

Выполненные расчеты показывают [9], что использование ВУТ позволяет существенно снизить (до 1,5-3,5 раза) вредные выбросы в атмосферу, а также повысить эффективность использования топлива до 98 % , тогда как при традиционном сжигании угля эффективность составляет не более 60 %.

Таблица 4.

Выбросы при сжигании ВУТ

Таким образом, разработанная технология получения высокоэффективного водо-угольного топлива (ВУТ) на основе доступного и дешевого местного сырья - Ангренского месторождения угля и поверхностно активного вещества ОП-10, позволит расширить сферы использования низкокачественных местных углей с низкой теплотой сгорания. Полученный вид альтернативного топлива характеризуется степенью выгорания, достигающего до 99,5%, обеспечивает температуру горения в пределах 950-1050^оС и способствует существенному снижению количества токсичных оксидов при сгорании. При использовании ВУТ в качестве основного топлива в паровых котлах для получения пара для пропарки бетона на стадии его сушки наблюдается существенное сокращение срока высыхания бетона и снижение количества вредных выбросов в атмосферу.

Список литературы:

1. Абдуманнопов Н. А. и др. Модернизация кольцевой печи для обжига строительного кирпича //Научное знание современности. – 2018. – №. 12. – С. 25-29.
2. Алимджанова Д.И., Муйдинова Н.К. Повышение эффективности горения угольного топлива в кольцевой печи для обжига строительного кирпича. Universum: технические науки: научный журнал. – № 4(73). Часть 1. М., Изд. «МЦНО», 2020. – 72 с
3. Гуляницкий Н.А., Ткаченко С.В. Водоуголное топливо – путь к энергонезависимоти. Журнал "Сахар" №4, 2008 г.
4. Долинский А.А., Халатов А.А. Водоугольное топливо: перспективы использования в теплоэнергетике и жилищно-коммуникальном секторе. ISSN 0204-3602 / Промышленная теплотехника, 2007, т.29. №5.
5. Каримов А.А. Особенности сжигания в кипящем слое водоугольного топлива из бурых углей Республики Узбекистан, »Молодой ученый», № 9 (143). Технические науки. Март, 2017.
6. Левченко П.В. Расчеты печей и сушил силикатной промышленности. Альянс . Москва. 2007. с.-368
7. Мальцев Л.И., Кравченко И.В., Кравченко А.И., Самборский В.Е. Прикладные аспекты технологии приготовления и сжигания водоугольного топлива. Сборник научных статей. Современная наука.2011.№1(6).
8. Сухов П. Альтернативы топлива, энергетика. Водно-угольное топливо: за и против. Журнал: Энергия промышленного роста. 2017 г. Москва.
9. Финягин А.И., Володарский И.Х., Филиппов Г.А. и др. Методика расчета выбросов загрязняющих веществ при сжигании водоугольного топлива. Москва 1990.с.-6 .