Определены два направления использования суспензий высокой степени очистки и дисперсности в генераторах энергии. Первое из них — прямое сжигание в виде суспензий (рассмотрено ранее), второе — предварительная газификация суспензии с последующим сжиганием генераторного газа в газовых турбинах и реализация избыточной тепловой энергии газогенератора в виде перегретого пара в паровой турбине. Это направление получило развитие в энергоустановках комбинированного парогазового цикла. Перспективность использования ВУС в газогенераторах сводится к возможности подавать суспензию в реактор насосами высокого давления. Это делает процесс загрузки газогенераторов непрерывным и избавляет их от сложных в эксплуатации на сухом топливе шлюзовых камер, затворов и питателей, обеспечивающих их работу в периодическом режиме при высоких давлении и температуре. Часть входящей в ВУС воды (примерно половина) в газогенераторах полезно расходуется на образование водорода и оксида углерода в результате диссоциации при высоких температуре и давлении. Воду (15 % массы угля) подают и в обычные газогенераторы, работающие на угле влажностью 10...15%. Такое использование содержащейся в ВУС воды исключает затраты энергии на ее испарение при прямом сжигании суспензий.

Предварительная газификация угля и других энергоносителей с последующим использованием горючего газа в газовых турбинах (и дизелях) и перегретого пара в паровых турбинах в настоящее время считается наиболее прогрессивной и перспективной технологией в энергетике. В газогенераторных установках значительно меньше, чем в двигателях, трущихся деталей, износ которых оказывает существенное влияние на их работоспособность. Высокие температура и давление обеспечивают полноту конверсии топлива в горючий газ. Очистка этого газа от пыли и оксидов серы и азота намного дешевле очистки продуктов сгорания, поскольку масса генераторного газа в 9... 12 раз меньше массы продуктов сгорания и, соответственно, концентрация подлежащих удалению вредных примесей во столько же раз выше. К тому же газ очищают при давлении 1, 0... 1, 5 МПа. Следовательно, объем газа примерно в 100 раз меньше объема подлежащих очистке продуктов сгорания топлива при атмосферном давлении. Сжигание горючего газа практически не требует модернизации оборудования и исключает дополнительный износ рабочих деталей энергоустановок под воздействием твердого топлива. Поскольку перегретый пар газогенераторов с комбинированным циклом работы используют в паровых турбинах, мощность которых составляет примерно половину мощности газовых, в таких энергоустановках обеспечивается наиболее полная и рациональная утилизация энергии сжигаемого угля. Требования к его дисперсности и степени обогащения, к вязкости и стабильности суспензий самые умеренные (см. табл. 1).

В США, Голландии, Германии, Испании и Италии построены агрегаты с комбинированным парогазовым циклом мощностью 60...300 МВт. Две ТЭС в США (в штатах Индиана и Флорида) рассчитаны на использование ВУС. Мощность газовой турбины ТЭС в Индиане составляет 191, паровой — ПО МВт; во Флориде мощность газовой турбины 192, паровой — 130 МВт. Рассчитанный и измеренный КПД равен 42 %, тогда как у ТЭС обычного типа 35 %.

ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКАЯ ПЕРСПЕКТИВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУСПЕНЗИОННОГО УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

из-за низких цен на нефть в конце прошлого века практическое осуществление большинства проектов по суспензионному топливу оказалось отложенным на неопределенное время. При уровне цен на нефть 1999 г. (примерно 8...9 вместо прежних 18...25 дол. за 1 баррель) применение водоугольных суспензий вместо мазута было явно невыгодным даже при самых низких (из возможных) ценах на уголь.

Суспензионное угольное топливо, в котором дисперсионной средой являются нефтепродукты, спирты или (как правило) вода (ВУС), считали перспективным для энергетики, когда цена на нефть выше (как в настоящее время) 25...30 дол. за 1 баррель. Полагали, что угольные технологии в значительной мере будут определять верхнюю планку цен на нефть. С их развитием связывали также надежды на решение экологических проблем энергоснабжения, которые стали особенно актуальными в связи с авариями на атомных электростанциях и с нефтяным загрязнением природы.

Первые, а за ними и многие последующие программы по созданию технологий приготовления и использования СУТ были реализованы. Результаты обширного объема выполненных в этой области исследований и технологических разработок доложены на ежегодных международных конференциях по угольным технологиям, которые были созваны под эгидой и на средства Министерства энергетики США во Флориде (в 2005 г. — 29-я). Опубликованные (до 2000 г.) труды этих конференций содержат ценные сведения по обсуждаемой тематике. Известны и другие солидные публикации по СУТ в американских, российских, китайских, японских и других изданиях, в которых изложены результаты исследований, проектных и технологических разработок.

В период «водотопливного» бума правительства солидные фирмы некоторых промышленных стран выделяли значительные субсидии на обширные программы, в которых были предусмотрены исследования, экономический и экологический анализы суспензионной топлива. В научно-исследовательских центрах, принадлежащих государственным и частным компаниям, перед исследователями и технологами поставили задачу создания промышленных технологий получения СУТ которые по экономическим и экологическим параметрам не уступали бы нефтепродуктам. Промышленно развитые страны ставили своей целью избежать в дальнейшем зависимости их экономики от политических ситуаций в нефтедобывающих регионах (государства Персидского залива и др.). Априори полагали, что суспензионное топливо без больших затрат на модернизацию оборудования можно будет использовать по технологии сжигания жидкого топлива. В 80-е и последующие годы созданы технологии приготовления и сжигания угольных суспензий. Исследования и опытнопромышленные испытания процессов приготовления и транспортирования угольных суспензий по трубам (как жидкого топлива) в большом объеме и полноте были выполнены и в России.

После 2000 г. тематика по СУТ в публикациях неуклонно сокращалась и в настоящее время практически полностью иссякла. Обусловлено это, вопервых, тем, что технические проблемы создания и использования СУТ были решены, вовторых, тем, что этот вид топлива вопреки первоначальным ожиданиям оказался экономически неэффективным даже при очень высоких ценах на нефть. Промышленные страны пошли по пути реализации технологий использования возобновляемых энергоносителей. Нынешние очень высокие цены на нефть и газ не вызвали, как можно было ожидать, возобновления интереса к угольным суспензиям. Это, однако, не означает, что разработки по тематике угольных суспензий не будут востребованы в дальнейшем.

В заключение следует сказать, что статья содержит сведения, основанные на анализе и сопоставлении многочисленных публикаций, полный список которых слишком обширен, и потому здесь приведены ссылки только на издания, наиболее специализированные по данной проблеме. В них приведены технологии получения высоконаполненных низковязких суспензий из российских углей и технологии деминерализации углей до зольности менее 1 % с минимальными потерями. Обобщен опыт транспортирования суспензий по трубам на дальние расстояния, выяснены причины неудачи этой технологии и способы их устранения, разработаны наиболее экономичные промышленные проекты приготовления ВУТ [5, 6, 8, 9, 11—13, 24—30].

1Статья публикуется в порядке обсуждения. (Прим. ред.).

2119071, Москва, Ленинский просп., д. 29 ФГУП ИГИ.

3При зольности угля 10...12% и более.

4Отчет об опытно-промышленном испытании ВУТ на Новосибирской ТЭЦ-5

Список литературы

В.Ф. Кусов, Топливные суспензии. Л.: АН, 1942

В.М. Иванов, Б.В. Канторович, Топливные эмульсии и суспензии. М.: Металлургия, 1963

И.М. Эвентов, В.В. Назаров, Эмульсионные машины и установки. Л.: Машиностроение. 1964

С.Г. Аронов, М.Г. Скляр, Ю.Б. Тютюнников, Комплексная химико-технологичесская переработка углей. Киев: Техника, 1968.

В.Е. Зайденварг, К.Н. Трубецкой, В.И. Мурко, И.Х. Нехороший, Производство и использование водоугольного топлива. М.: Изд-во Академии горных наук, 2001

Н.Ф. Зубкова, А.А. Каблучков, Ю.А. Толасов, Г.С. Ходаков, Методы регулирования структурно-реологических свойств и коррозионной активности выскоконцентрированных дисперсных систем // Тр. НПО «Гидротрубопровод». М.: Нефтегазстройинформ, 1987. с. 94-100

А.С. Кондратьев, В.М. Овсянников, Е.П. Олофинский и др., Транспортирование водоугольных суспензий М.: Недра, 1988.

The statisstical analysis of the pilot commercial operational results of the power generation and delivery Complex Belovo-Novosibirsk. Proc, G.S. Khodakov // 19th Intern. Conf. on Coal Utilization and Fuel Systems. USA. Florida. 1994. P. 863-866.

E.P. Olofinsky, G.S. Khodakov, Optimizing the Dispersion Process of Coal-Water Slurries // Proc. of the 14th International Conference on Coal and Slurry Technologies, USA, Florida. 1989. P. 247-260.

D. Erkolani, U.Tiberio, Start-up and initial operating experience of Porto Tores integrated plant for production and utilization of beneficiated coal-water fuels // Proc. 19th Intern. Conf. on Coal Utilization and Fuel Systems. USA, Florida. 1994. P. 5-6.

Г.С. Ходаков, Водоугольные суспензии // Энергетика. 2000. № 2. С. 104-119

Ю.А. Толасов, Г.С. Ходаков, Особенности получения водоугольного топлива в барабанных мельницах // Технология приготовления и физико-химические свойства водоугольной суспензии // М.: Нефтегазстройинформ, 1991. С. 97-110. (Тр. НПО «Гидротрубопровод»).

Н.И. Редькина, Г.С. Ходаков. Физико-химическая трактовка реологических свойств концентрированных суспензий // Технология приготовления и физико-химические свойства водоугольного топлива: // М.: Нефтегазстройинформ, 1991. С. 62-77. (Тр. НПО «Гидротрубопровод»).

Even Bakke, Coal utilization: Maintaining environmental integrity into 21 st. Century.// Proc. 19th Intern. Conf. on Coal Utilization and fuel Systems. USA, Florida, 1994. P. 267-270.

H.I. Brollick, Innovative transport modes coal slurry pipelines // Proc. 15th Intern. Conf on Coal and Slurry Technologies. USA, Florida, 1990. P. 3-10

Y. Ishibashi, N. Abe, Y. Kondo, M. Gohta, Operating experiences of large scale CWM production and transportation // Proc. 19th Intern. Conf. on Coal Utilization and Fuel Systems. USA, Florida, 1994. P. 21-27.

Y. Takashi, Development and scale-up of CWM preparation process // Proc. 20th Intern. Conf. on Coal Utilization and Fuel Systems, USA, Florida, 1994. P. 305.

Г.С. Ходаков, Физика измельчения. М.: Наука, 1972

Г.С. Ходаков, Физико-химическая механика технологических процессов // Российский химический журнал. 2000. №3. С.93-108.

Т.М. Хренкова, Механохимическая активация углей // М.: Недра, 1993

А. Рао, Р. Уилсон, М. Макмиллан, А. Кимберли // Современное машиностроение. Сер. А. 1990. №1. С. 163-173.

Chen Tiefend, Mei Cai, Jyang Long, Combustion properties of CWM // Proc. 6thIntern. Conf. on Coal and Slurry Combustion and Technology. Orlando USA, 1984. P. 313-319.

E. Crippa, 50000HP 12 cylinder coal slurry diesel engine // Proc. 15th Intern. Conf. on Coal and Slurry Technologies. USA, Florida, 1990. P. 821-829

Ю.А. Толасов, В.С. Золотухин, Г.С. Ходаков, Технологические схемы приготовления водоугольного топлива // Технология приготовления и физико-химические свойства водоугольной суспензии // М: Нефтегазстройинформ, 1991. С. 78-97. (Тр. НПО «Гидротрубопровод»).

Г.С. Ходаков, Физико-химическая механика измельчения твердых тел // Коллоидный журнал. 1998. № 5. С. 684-697

G.N. Deljagin, Combustion behavior of coal-water slurry in air stream // Proc. 15th Intern. Conf. on Coal and Slurry Technologies. USA, Florida, 1990. P. 81-92.

G.N. Deljagin, Combustion of natural coal particle and coal-water suspension droplet // Proc. 15th Intern. Conf. on Coal and Slurry Technologies. USA, Florida, 1990. P. 105-118.

Г.С. Ходаков, Статистический анализ результатов испытаний углепроводоа Белово-Новосибирск // Технология приготовления и физико-химические свойства водоугольной суспензии // М: Нефтегазстройинформ, 1991. С. 110-116. (Тр. НПО «Гидротрубопровод»).

А.С. Кондратьев, Н.А. Столяров, О динамической нестабильности статически устойчивых высококонцентрированных суспензий // Технология приготовления и физико-химические свойства водоугольных суспензий // М.: Нефтегазстройинформ, 1991. С. 7-15. (Тр. НПО «Гидротрубопровод»).

Г.С. Ходаков, К реологии суспензий // Теоретические основы химической технологии. 2004. Т. 38. № 4. С. 456-466.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://masters.donntu.edu.ua/