Кавитационная технология приготовления водоугольного топлива
1888 Кавитационная технология приготовления водоугольного топлива, сокращенно КаВУТ, имеет существенное преимущество над другими технологиями подобного рода – это стабильность на протяжении длительного времени без применения присадок.
У водоугольного топлива (ВУТ) в России уже есть своя история. Первый крупномасштабный проект применения ВУТ в энергетике осуществили в СССР в 1980‑х годах, когда был построен опытно-промышленный трубопровод для гидротранспорта угля от шахты в городе Белово Кемеровской области до ТЭЦ-5 в Новосибирске.
Первый опыт
Уголь на месте добычи размалывался до фракции, не требующей дальнейшего размола перед сжиганием в котлах (в основном – менее 90 микрометров), и смешивался с водой с концентрацией твердого вещества 61‑64 процента, с добавкой поверхностно-активных веществ, придающих суспензии текучесть и увеличение времени до расслоения ВУТ при его транспортировке и хранении в баках на территории ТЭЦ.
Расчетная производительность углепровода составляла 3 миллиона тонн сухого угля в год, протяженность – 262 километра, диаметр трубопровода – 530 миллиметров.
Основными проектными организациями выступали институт «ВНИПИгидротрубопровод» (генеральный проектировщик), «ВНИИгидроуголь» и институт «Новосибирсктеплоэлектропроект» (последний проектировал комплекс по приему, хранению и сжиганию водоугольного топлива в энергетических котлах Новосибирской ТЭЦ-5).
В 1991‑1992 годах проводились испытания систем приема, хранения и сжигания ВУТ. Подача ВУТ на ТЭЦ-5 производилась периодически. Качество состава ВУТ оставалось нестабильным. За это время в котлах ТЭЦ-5 было сожжено 270 тысяч тонн. Режимные и гарантийные испытания комплекса не были произведены из‑за начавшихся экономических неурядиц.
Но даже тот небольшой опыт показал, что ВУТ вполне пригодно для использования в энергетических котлах (паропроизводительность котла – 670 тонн в час) в качестве основного топлива и не вызывает принципиальных возражений при условии, что состав его должен быть стабильным или, в крайнем случае, должен варьироваться в допустимых пределах.
В то же время были обнаружены и серьезные недостатки технологии приготовления ВУТ и поддержания его стабильности при транспортировке и хранении. То есть кондиция ВУТ не отвечала необходимым параметрам по качеству и особенно по стабильности. Добавки поверхностно-активных веществ оказались слишком дорогими (импортные поставки) и не столь эффективными, как ожидалось.
Таким образом, «ахиллесовой пятой» всех технологий приготовления ВУТ и у нас в стране, и за рубежом в настоящее время является необходимость введения в ВУТ добавок, создающих «пространственное затруднение» к коагуляции частиц, или создающих электростатический барьер между твердой фазой, или, проще говоря, препятствующих расслоению ВУТ на уголь и воду длительное время (месяцы). Кроме того, известные на сегодня технологии приготовления капиталоемки, металлоемки и энергоемки, что также является препятствием к широкому использованию ВУТ в большой и малой энергетике, а также в промышленных печах и других энергоустановках.
Новое решение
Многих недостатков, главный из которых – необходимость использования дорогостоящих добавок, позволяет избежать новая технология приготовления водоугольной суспензии, которую называют КаВУТ.
Разработчиком конструкции кавитаторов и поставщиком готовых изделий является ООО НПЦ «КаВУТ» (Барнаул).
Кавитационная технология приготовления водоугольного топлива характеризуется высоким уровнем местного динамического компрессионного и температурного воздействия на обрабатываемый материал, в результате чего твердый компонент смеси измельчается до заданной степени дисперсности, а суспензия приобретает новые свойства, выгодно отличающие ее от получаемой традиционным способом. Главные из этих свойств таковы:
•стабильность на протяжении длительного времени (контрольные образцы выдерживаются более 36 месяцев) и пластичность без каких‑либо присадок при достигнутом содержании твердого вещества до 70 процентов;
•полностью высушенное или частично обезвоженное топливо переходит при добавлении воды в состояние устойчивой суспензии без механического побуждения;
•топливо не увеличивает объема при замерзании, а после размораживания восстанавливает свои исходные свойства.
Кроме того, процесс приготовления кавитационного водоугольного топлива (КаВУТ) характеризуется низкими удельными показателями энергозатрат (до 30 кВт-ч) и расхода металла рабочих органов кавитаторов (менее 100 граммов) на тонну переработанного угля против 100 кВт-ч и 400 граммов соответственно при пылеугольном сжигании. Технологическая установка по приготовлению КаВУТ предельно компактна, проста в эксплуатации и обслуживании. Ресурс рабочего органа кавитатора составляет около 500 часов, а его замену можно осуществить в течение 15 минут. Рабочие органы изготавливаются из чугуна или простых сталей, а затраты на них составляют примерно 1 рубль на тонну переработанного угля.
Затраты на приготовление КаВУТ – около 100 рублей на одну тонну, с учетом стоимости электроэнергии, воды, зарплаты обслуживающего персонала и общецеховых расходов. Удельные затраты на сооружение установки по приготовлению КаВУТ составляют 163 рубля на тонну в год, узла хранения нормативного запаса и подачи топлива на сжигание – 39 рублей на тонну в год.
Схема работы
Оптимальной представляется схема размещения узлов приготовления КаВУТ при углеобогатительных фабриках с транспортировкой готового продукта до потребителей в автомобильных и железнодорожных цистернах или же по трубопроводам.
В качестве исходного материала для приготовления КаВУТ могут использоваться каменные и бурые угли, а также увлажненные отходы процессов углеобогащения. При использовании КаВУТ уменьшаются объемы главного корпуса, снижаются объемы строительства, а в случае получения готового КаВУТ полностью исключаются объекты угольного хозяйства, исключаются дорогостоящие системы аспирации и гидросмыва, снижается степень взрывопожароопасности сооружений ТЭС и улучшаются санитарно-гигиенические условия эксплуатации.
Существенно снижаются потери топлива, связанные с длительным хранением угля на открытых складах (окисление, ветровой унос и горение) и транспортировкой по развитой системе топливоподачи.
Наиболее предпочтительной является схема двухступенчатого сжигания КаВУТ, с организацией низкотемпературного кипящего слоя на первом этапе и дожиганием продуктов первой ступени в объемной камере котлов. Данная схема совместно разработана специалистами института «Новосибирсктеплоэлектропроект» и ЗАО «СибКОТЭС».
Комплексное проектирование объектов по приготовлению и использованию КаВУТ выполняет институт «Новосибирсктеплоэлектропроект» ОАО «Сибирский НТЦ».
На обогатительной фабрике ЗАО «Черниговец» в Кемеровской области запущен комплекс, состоящий из узла приготовления КаВУТ производительностью 20 тонн в час и модернизированного парового котла типа Е-1,0 / 0,9 с установкой предтопка, в кипящем слое которого реализуется первая стадия сжигания водоугольного топлива, а второй ступенью работает топка котла Е-1,0 / 0,9.
Наладка установки проводилась силами разработчиков: НПЦ «КаВУТ», ЗАО «СибКОТЭС», НПО «Гидротрубопровод» и института «Новосибирсктеплоэлектропроект».
На основе полученных данных этими же организациями совместно с ОАО «Бийский котельный завод» сконструирована топка водогрейного котла мощностью 2,5 МВт и разрабатывается конструкция топки водогрейного котла мощностью 11,63 МВт для котельной города Чкаловска (Таджикистан).
Перенесение идеи от объектов малой (коммунальной) энергетики на объекты большой электроэнергетики требует организационной перестройки, обеспечивающей доведение обоснованного технического предложения до демонстрационного объекта. Но игра стоит свеч, поскольку использование КаВУТ уменьшает удельные капиталовложения в строительство тепловой электростанции на 7‑15 процентов по сравнению с ТЭС, сжигающей уголь по традиционной технологии.