ВОДОУГОЛЬНОЕ Горючее Техноэкономические перспективы промышленного использования в период больших цен на энергоэлементы В последней четверти прошедшего века цены на нефть и нефтепродукты были очень высочайшими. Тогда фактически во топлив и во время больших цен на нефть не было возобновлено не только лишь в Рф, да и нигде в мире. Многие из построенных ХОДАКОВ Генрих Соломонович Доктор физ.-мат. наук, доктор ФГУП «Институт горючих ископаемых» ГОРЛОВ Евгений Григорьевич Доктор техн. наук, доктор ФГУП «Институт горючих ископаемых» ГОЛОВИН Жора Сергеевич Доктор хим. наук, доктор Директор ФГУП «Институт горючих ископаемых» 46 ОКТЯБРЬ, 2006, “УГОЛЬ” Maket-10_06-1-послед.indd 46 всех промышленных странах угольные суспензии (в главном в виде водоугольного горючего — ВУТ) рассматривали как кандидатуру мазуту, а в СССР — в сочетании их с гидротранспортом на далекие расстояния и как горючее для ТЭС. Технологии получения, транспортирования и сжигания угольных суспензий разрабатывали активно и с огромным размахом. В СССР решение научных, технологических и проектных заморочек в области угольных суспензий было доверено научно-производственному предприятию — НПО «Гидротрубопровод». На базе выполненных им исследовательских работ сделали проект и в Кузбассе выстроили опытно-промышленный комплекс изготовления ВУТ и трубопровод длиной 262 км с расчетной производительностью четыре млн т суспензии в год.
Работы многих научных и проектных организаций по угольным суспензионным топливам делали в общей трудности более 25 лет, были продолжены и после ввода в действие комплекса углепровода Белово-Новосибирск еще пару лет.
Научные нюансы этой препядствия были решены, промышленные технологии и проекты сделаны, бывалые производства построены и некое время функционировали. Но вопреки начальным ожиданиям промышленное применение угольных суспензий не состоялось, их вклад в энергетику оказался ничтожно малым. Основными факторами понижения цен на нефть стали энергосберегающие технологии и экономический кризис в промышленных странах.
За периодом промышленной стагнации в конце прошедшего века последовал подъем экономики. На этом шаге в процесс экономического развития врубились страны с ранее низким энергопотреблением. Резко возросло промышленное создание и, как следует, потребление энергоэлементов в Китае, Индии, Бразилии, Южной Корее. Спрос и цены на энергоэлементы в мире установились стабильно и навечно высочайшими. Но промышленное внедрение угольных суспензионных топлив и во время больших цен на нефть не было возобновлено не только лишь в Рф, да и нигде в мире. Многие из построенных установок были демонтированы, в числе их и комплекс в Кузбассе.
Разработанные в период первого нефтяного кризиса технологии и проекты, доведенные до опытно-промышленного варианта, в настолько, казалось бы, подходящих для их продвижения ценовых критериях как и раньше далеки от масштабной реализации. Можно ли было предугадать таковой итог в то время, когда неувязка сотворения угольных суспензионных топлив только была поставлена? В чем техноэкономические предпосылки настолько масштабной и феноменальной по затратам этой технологической беды?
Неувязка угольных суспензий состояла из 2-ух главных разделов. В первом из их экономический эффект подразумевали получать, заменяя мазут более дешевеньким водоугольным топливом (ВУТ), во 2-м — в итоге более высочайшей экономичности гидротранспорта ВУТ по сопоставлению с жд транспортом угля.
Тут приведен анализ первого из этих разделов трудности ВУТ, 2-ой подвергнется рассмотрению в последующем сообщении.
Угольные суспензии были предусмотрены поменять обычное энергетическое горючее — мазут и уголь: в ТЭС и котельных с пылевым и слоевым сжиганием угля; в ТЭС и котельных, работающих на мазуте; в движках внутреннего сгорания; в установках комбинированного парогазового цикла.
Предпосылки промышленной несостоятельности ВУТ как кандидатуры обычным видам горючего в каждом из перечисленных вариантов его предназначения различны. Из техноэкономического анализа следует:
1. ВУТ для угольных ТЭС и котельных установок было вначале невыгодным независимо от цен на нефть. Этот вывод следует из сравнения издержек на подготовку пылеугольного и суспензионного горючего и издержек на их сжигание (сравнению подлежат только эти два вида угольного горючего, а не угольное с нефтяным). Из расчетов на базе опытнейших данных следует: удельные энергозатраты, как и издержки, обусловленные износом оборудования, на угольное пылеприготовление существенно ниже удельных издержек на изготовление эквивалентного углю по энергетической эффективности количества ВУТ?.
При сжигании ВУТ на испарение воды затрачивается приблизительно 1 % угля на каждые 10 % входящей в ВУТ воды. К примеру, ВУТ из кузнецкого угля безизбежно содержит более 40 % воды. Как следует, на испарение воды (пар удаляется с отходящими газами) невозвратно расходуется 4-5 % входящего в ВУТ угля. Суммарные издержки на сжигание и испарение воды составляют более 10 % цены угля. Для технологических установок изготовления ВУТ нужны производственные площади и складские помещения, само мало, такие же, что и для установок пылеприготовления. В состав оборудования для перекачивания и хранения ВУТ входят несколько насосов, смесителей, емкостей для хранения со смесителями, система трубопроводов с несколькими регулирующими задвижками, система хранения и подачи поверхностно-активных веществ (ПАВ). Издержки на это оборудование и его эксплуатацию еще больше ухудшают степень нерентабельности ВУТ по сопоставлению с углем. Коррозионный износ мельниц и другого оборудования при изготовлении ВУТ в пару раз больше, чем при изготовлении пылеугольного горючего равной дисперсности.
На Новосибирской ТЭЦ-5 сотрудниками Всесоюзного теплотехнического института проведены масштабные опытно-промышленные тесты ВУТ, поступавшего по трубопроводу из г. Белово.
Согласно экспериментальным данным температура горения ВУТ в котле ТПЕ-214 приблизительно на 150° ниже, чем при сжигании угольной пыли, минимум на 2-3 % больше механический и хим недожог, на 2-5 % ниже КПД котла. Совместно с затратами на изготовление ВУТ дополнительные расходы превосходят 12 % от цены рядового угля стандартной влажности и зольности и составляют существенную долю цены получаемой энергии. К такому же выводу пришли и забугорные исследователи. Энергия, получаемая сжиганием ВУТ, на 3,8 % дороже, чем по пылеугольной технологии. Работоспособность сложных установок изготовления ВУТ могут обеспечивать только квалифицированные спецы. Наименьшая рентабельность ВУТ по сопоставлению с углем была явна априори. Технические иллюзии на этот счет неких профессионалов противоречили простым расчетам и научной логике.
2. Концепцию «ВУТ взамен мазута» (в противоположность «ВУТ взамен угля») с топливоподачей и сжиганием по жидкостной схеме при больших ценах на нефтепродукты и низких ценах на уголь можно было рассматривать как на техническом уровне разумную.
Этой концепции способствует тот факт, что промышленные припасы угля рас пространены по земному шару существенно обширнее и равномернее, чем совокупные припасы нефти и газа, а в энергетическом эквиваленте неоднократно их превосходят.
Большие залежи угля сосредоточены в Рф, Китае, США, Австралии, Канаде, ЮАР и в почти всех других странах со сравнимо размеренными политическими режимами. В США и Китае раз в год добывают приблизительно по 900 млн т угля, из которых 85-90 % употребляют для получения электроэнергии. Но фактически весь авто-, аква и жд транспорт потребляет производные нефти. Перспектива использования угля взамен нефтепродуктов с целью уменьшения зависимости от поставок нефти очень заманчива и соединяла рвение промышленных государств к топливной независимости с созданием сдерживающего барьера увеличения цен на нефть.
Некие программки по созданию технологий изготовления и использования ВУТ взамен мазута были реализованы.
Так как мазутные и газовые ТЭЦ не обеспечены терминалами по обработке угля и площадями для их строительства, суспензионное горючее для таких ТЭЦ — единственный вариант подмены мазута на уголь. В проектах предугадывали изготовление ВУТ на отдельных комфортно расположенных терминалах и доставку его на ТЭЦ танкерами, баржами и по трубам.
Но практическая реализация этой идеи оказалась на техническом уровне трудной. Внедрение угольных суспензий обыкновенной зольности (10-12 % массы угля) на мазутных ТЭС и котельных связано с необходимостью их оснащения системами золо- и шлакоудаления. Оказалось, что системы пылеулавливания мазутных ТЭС нуждаются только в сравнимо маленький модернизации, только если зольность суспензий не превосходит 5 % и толика сжигаемого совместно с мазутом ВУТ не превосходит 50 %. Обогащение угля до зольности 5 %, как понятно, не просит дорогостоящих способов хим деминерализации либо масляной агломерации. Такового обогащения угля добиваются сепарацией в тяжелосредних циклонах и колонной флотацией, но огромные отходы угля в таком процессе обогащения существенно удорожают горючее.
Сотворен ряд проектов «ВУТ взамен мазута», некие из их реализованы. Угольные суспензии (не только лишь ВУТ) используют в качестве вспомогательного горючего на мазутных ТЭС. Компания Мицубиси в Стране восходящего солнца разработала промышленную технологию производства и сжигания угольно-мазутных суспензий. С 1985 г. на электростанции в Юкосака такое горючее употребляют в 2-ух агрегатах мощностью 265 МВт каждый. В Накасо проведены тесты установки мощностью 7,5 МВт, потребляющей 3,2 т/ч горючего. Испытаны также агрегаты мощностью 60 и 100 МВт с потреблением ВУТ до 21 т/ч. Ряд ТЭС Стране восходящего солнца приморского базирования, на которых была проведена нужная модернизация систем сжигания и золоудаления, употребляет ВУТ в промышленном масштабе. Сжигание ВУТ создают вместе с мазутом в главном в ночное время либо часы значимого понижения нагрузок. Создают ВУТ в Китае из обогащенного угля и доставляют в Японию танкерами. Разгрузку танкеров и барж осложняет динамическая седиментация ВУТ, которая происходит во время транспортирования под действием бортовой качки и вибраций, вызываемых работающими движками.
Практическая эффективность программ «ВУТ взамен мазута» оказалась существенно ниже прогнозировавшейся. Невзирая на тривиальные технологические способности и установившиеся в текущее время сверхвысокие цены на нефть, разработанные крупномасштабные проекты на базе ВУТ не реализованы. Издержки на обогащение угля, транспортирование ВУТ и модернизацию мазутных ТЭС оказались существенно выше ожидавшихся, а трудности технического воплощения проектов и экологические задачи не отыскали решения.
3. В двухконтурных термических генераторах (ТЭС и котельных) термическая энергия товаров сжигания горючего передается рабочему телу (водяному пару) через теплообменные стены, отделяющие топливный контур от контура парообразования.
В движках внутреннего сгорания (ДВС) продукты сжигания являются совокупным рабочим телом в объеме рабочей камеры. Испарение воды при сжигании ВУТ понижает температуру мотора, тем находит полезное применение часть тепла, безизбежно выделяющегося при работе ДВС, облегчается процесс его остывания. По совокупному энергетическому эффекту ВУТ в ДВС экономически эффективнее, чем в двухконтурных термических агрегатах.
Актуальность ВУТ для дизелей и газовых турбин определяется к тому же тем, что эти типы движков имеют в главном, транспортное предназначение, а транспорт потребляет приблизительно половину добываемых на Земле энергоресурсов, фактически все светлые производные нефти и часть природного газа. Транспорт является и главным виновником загрязняющих атмосферу выбросов ядовитых товаров сгорания нефтяных топлив (в виде оксидов серы и азота, также бензапиренов и сажистых частиц). Но для ДВС требуется высокодеминерализованное угольное горючее (зольность наименее 1 %), создание которого оказалось очень дорогостоящим процессом.
Проведены ходовые тесты дизелей и газовых турбин, работающих на суспензионном горючем. Финансовая эффективность ВУС для ДВС оказалась недостаточной. Промышленное применение этой технологии так и не состоялось.
4. Подготовительную газификацию угля, торфа, отходов древесной породы и сельского хозяйства с следующим внедрением горючего газа и перегретого пара в агрегатах разного типа — ТЭС, дизелях и турбинах в текущее время считают более прогрессивным и многообещающим в энергетике. Такие технологические схемы имеют ряд принципиальных преимуществ по сопоставлению со схемами прямого сжигания. В газогенераторных установках существенно меньше, чем в движках, ответственных трущихся деталей, износ которых оказывает существенное воздействие на их работоспособность. Высочайшая температура обеспечивает полноту конверсии горючего в горючий газ. Чистка генераторного газа от пыли и оксидов серы и азота существенно дешевле чистки товаров сгорания, так как масса генераторного газа в 9-12 раз меньше, чем масса товаров сгорания. Соответственно концентрация подлежащих удалению вредных примесей во столько же раз выше. К тому же чистку газа создают при давлении 1-1,5 МП. Как следует, объем очищаемого газа приблизительно в 100 раз меньше объема подлежащих чистке товаров сгорания горючего при атмосферном давлении.
Сжигание горючего газа фактически не просит модернизации энергоустановок и исключает вызываемый жестким топливом износ их рабочих деталей. Перегретый пар парогазотурбинных генераторных установок (ПГТУ) комбинированного цикла употребляют в паровых турбинах. Горючий газ употребляют в газовых турбинах. Тем обеспечивают более полную и рациональную утилизацию энергии сжигаемого горючего. Требования к дисперсности угля, степени его обогащения, вязкости и стабильности суспензий (если они употребляются в качестве горючего) самые умеренные.
Перспективность использования ВУТ в таких агрегатах определяют два происшествия: Во-1-х, суспензию подают в реактор под высочайшим давлением насосами, что делает процесс газификации непрерывным и устраняет газогенераторы от таких сложных в эксплуатации на сухом горючем конструкций, как шлюзовые камеры, затворы и питатели, обеспечивающие их работу в повторяющемся режиме при больших давлениях и температурах. Во-2-х, часть входящей в ВУТ воды (приблизительно половина) в газогенераторах полезно расходуется на образование водорода и окиси углерода в итоге ее диссоциации при больших температурах и давлениях. Как понятно, воду (15 % от массы угля) подают и в газогенераторы, работающие на угле с первичной влажностью 10-15 %. В газогенераторных процессах на создание водорода и оксида углерода полезно расходуется приблизительно половина содержащейся в суспензии воды.
В США, Голландии, Германии, Испании, Рф и Италии построены и работают на угле энергоагрегаты комбинированного парогазового цикла мощностью от 60 до 300 МВт. В США (в штатах Индиана и Флорида) две из восьми таких ТЭС работают на ВУТ. Мощность ТЭС в Индиане составляет: газовой турбины — 191 МВт, паровой — 111 МВт. Мощность ТЭС во Флориде: газовой турбины — 192 МВт, паровой — 130 МВт. Измеренный КПД — 42 %. Перспективы использования ВУТ в ПГТУ будут, возможно, оценены по результатам работы этих ТЭС. Масштабное применение ВУТ в строящихся либо проектируемых ТЭС на базе ПГТУ в Рф не предвидено. Меж тем это направление является, может быть, единственным крупномасштабным и многообещающим применением технологии ВУТ, в какой имеются очень значимые научные и технические выработки русских исследователей и технологов.
Анализ приведенных выше материалов приводит к заключению:
Применение ВУТ взамен пылевидного угля нецелесообразно по экономическим и производственным пока «ВУТ взамен мазута» имеет перспективу только при очень больших относительно угля ценах на мазут. В центральных областях Рф, где соотношение цен мазут/уголь близко к двум, с учетом теплоты сгорания и технологичности этих энергоэлементов применение ВУТ взамен мазута невыгодно. В других странах соотношение цен делает выгодным применение ВУТ из обогащенного угля в качестве частичной подмены мазута на ТЭС. Исследования этого направления можно считать фактически завершенными.
ВУТ из высокодеминерализованного угля будет многообещающим для ДВС при условии разработки экономически выгодной технологии сверхтонкого измельчения и деминерализации угля.
Исследования этого направления целенаправлено продолжить.
Из узнаваемых методов глубочайшей деминерализации угля (до остаточной зольности наименее 1 %) более экономически и экологически многообещающим является механохимический, который к тому же совмещен со сверхтонким измельчением и предугадывает возможность утилизации минеральной составляющей угля в виде незапятнанных оксидов, кремния, кальция, магния и титана.