О возможности использования тонкодисперсных отходов углеобогащения ОФ "Энергетическая" в качестве основы для котельного топлива

Цитирование: Мурко, В.И. О возможности использования тонкодисперсных отходов углеобогащения ОФ «Энергетическая» в качестве основы для котельного топлива / В.И. Мурко, В.И. Федяев, В.И. Карпенок, А.Е. Шаньшин, А.Т. Мухтаров // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2020. 13(6). С. 657-668. DOI: 10.17516/1999-494X-0254

стичь наибольшей эффективности процесса горения топлива с содержанием вредных выбросов в дымовых газах при этом существенно ниже допустимых значений.

Технология получения, гидротранспортирования и сжигания водоугольного топлива (ВУТ) в промышленных масштабах была впервые в мировой практике реализована в СССР и затем России в конце 20 столетия при разработке, строительстве и эксплуатации опытно-промышленного углепровода «Белово-Новосибирск» [1]. В результате было отработано несколько технологических схем приготовления топлива из угля марок Д и Г, проведено тестирование его гидротранспорта на расстояние 262 км с последующим факельным сжиганием в котлах ТПЕ-216 Новосибирской ТЭЦ-5. На полученное топливо были разработаны временные технические условия [2, 3], в которых устанавливались значения структурно-реологических и теплофизических характеристик, которым должно удовлетворять полученное водоугольное топливо.

В последние годы предприятием «Сибэкотехника» были выполнены экспериментальные и полупромышленные и промышленные испытания по использованию технологии ВУТ для утилизации тонкодисперсных отходов углеобогащения, которые подтвердили высокую эффективность разработанных технологических и технических решений [4-8].

Из литературных источников [3], а также из материалов, полученных во время командировки группы специалистов из Кузбасса и Екатеринбурга (в состав группы входили и авторы статьи) в Китай в январе 2020 г., установлено, что технология приготовления, гидротранспортирования и использования ВУТ широко применяется в угольной и других отраслях промышленности этой страны.

Причинами использования технологии ВУТ являются:

• –    необходимость сокращения вредных выбросов на предприятиях в городах и прибрежной зоне;

• –    снижение себестоимости тепловой и электроэнергии при выработке на мазуте, дизельном топливе и газе (замена на ВУТ);

• –    необходимость транспортировки топлива в труднодоступные места и на предприятия, не имеющие возможности организации участка подготовки и подачи традиционного топлива.

Сотрудниками Пекинского угольного института и компанией China coal technology and Engineering Group Clean Energy Co., Ltd, совместно с профильными компаниями, разработано уже четыре поколения технологии приготовления ВУТ (технологические особенности приготовления ВУТ в Китае представлены на рис. 1 и 2).

В настоящее время ВУТ используется для сжигания в модернизированных котельных установках для выработки горячей воды и пара. Пар направляется на производство тепловой энергии, на генерацию электрической энергии в турбинный цех, а также для технологических потребителей. Помимо этого, ВУТ в качестве топлива подают на другие предприятия с помощью углепроводов (от нескольких сотен метров до 9 км) и развозят автоцистернами (плечо доставки – до 400 км).

В настоящее время в КНР на водоугольном топливе работает более 17 установок на 10 объектах (ТЭЦ и котельные). Основные объекты внедрены в 90-е и 2000-е гг.

Кроме прямого сжигания ВУТ направляют на газификацию для получения синтез-газа и последующего приготовления различных химических продуктов, а также для производства жидкого топлива. Специалистами ведется создание углепровода протяженностью 770 км про- – 659 –

Low pressure

Initial coal

Gasification /

Combustion of WCF

Large particles with size of 150'200 microns are used

Water + binders ।—♦ in the first stage as the main structure of WCF r Crushing s 10 mm

Рис. 1. Технологические особенности приготовления ВУТ в Китае

The third stage; ultrafine particles with size of 4'8 microns additionally fill "pores" of the particles.

The surface of small particles reduces resistance during transportation

, [grinding mil

The second stage: small particles with size * of 15 ~ 20 microns fill "pores" of large particles, which improves characteristics of WCF

• Fig. 1.    Technological features of WCF preparation in China

  

  Рис. 2. Технология производства высококонцентрированного ВУТ из флотационных шламов

  
  

• Fig. 2.    Technology of highly concentrated WCF production from flotation sludges

  изводительностью 10 млн т. Назначение ВУТ после гидротранспорта – газификация с получением химических продуктов. Строительство планируется начать в 2021 г.

На основе технологий 3-го и 4-го поколений разработана технология производства высококонцентрированного ВУТ из флотационных шламов (рис. 2).

В последние годы в России технология получения и сжигания ВУТ также была усовершенствована с целью ее эффективного использования для утилизации тонкодисперсных угольных шламов (ТДОУ) [4-8]. Основными отличиями характеристик исходного сырья для приготовления водоугольного топлива из угольного шлама и угля являются: максимальная крупность частиц шлама составляет 1(3) мм по сравнению с крупностью угля до 150(300) мм, повышенная зольность (до 43-47 % для шлама), а для угля не более 17 %, и, соответственно, более низ-– 660 – кая теплота сгорания рабочего топлива (для шлама 11,5 МДж/кг) и для угля, соответственно 21,7 МДж/кг. Указанные различия, а также то, что в шламах присутствуют флокулянты и коагулянты различной природы (до 400 г/т), требуют разработки соответствующих технологических и технических решений по приготовлению и сжиганию топлива при его получении на основе ТДОУ.

В первую очередь отличия в разработанных технологических и технических решениях касаются выбора средств помола, смешивания и гомогенизации, пластифицирующей добавки, технологии и технической реализации системы сжигания. Ранее специалистами НПЦ «Сибэ-котехника» совместно с учеными Кузбасского государственного технического университета был создан экспериментальный стенд для исследования технологий снижения вредных выбросов при сжигании различных угольных топлив [10, 11].

В рамках данного стенда имеется возможность проводить экспериментальные исследования по приготовлению и сжиганию ВУТ на основе угольных шламов.

Используемые продукты и оборудование экспериментальной стендовой установки

Для исследований использовался угольный шлам (ТДОУ) в виде фильтр-кека (ФК) ОФ «Энергетическая» филиала «Калтанский угольный разрез» УК «Кузбассразрезуголь». В таблице 1 представлена характеристика ФК и полученного водоугольного топлива.

В процессе приготовления ВУТ на основе данного шлама использовалась пластифицирующая добавка эмульгирующего действия (ПД), состав которой и расход (0,3 % от твердой фазы в ВУТ) предварительно были подобраны в лабораторных условиях с применением вибростенда. Специалистами АО «УК «Кузбассразрезуголь» совместно с ООО НПЦ «Сибэкотехника» и Кузбасским государственным техническим университетом им. Т.Ф. Горбачева (КузГТУ) были проведены демонстрационные испытания приготовления и сжигания ВУТ на основе фильтр-кека ОФ «Энергетическая» (г. Калтан, Кемеровская область).

Для испытаний использовались ТДОУ - фильтр-кек ОФ «Энергетическая», представительная проба которого массой 1 тонна была доставлена на стенд. Характеристика фильтр-кека представлена в табл. 1.

По технологической схеме приготовления ВУТ ФК загружается в смеситель, куда одновременно с ним дозировано подается водный раствор реагента-пластификатора. После смешивания в смесителе полученная водоугольная суспензия разгружается в приемную емкость, откуда насосом дозировано подается в бикамерную шаровую вибромельницу на доизмельчение и дополнительное перемешивание. Бикамерная вибромельница (патент на полезную модель РФ № 144721) состоит из цилиндрического корпуса 1, разделенного цилиндрическими вставками 2 на внутреннюю 3 и внешнюю 4 основные концентрические полости и внешнюю дополнительную полость 5, которые гидравлически связаны между собой посредством окон 6 и спускных каналов 7. Соответствующие цилиндрические вставки выполнены таким образом, что высота сливного порога дополнительной внешней концентрической полости меньше аналогичной высоты предыдущей концентрической полости. На верхней крышке 8 корпуса установлен питающий патрубок 9. Полости заполнены измельчающей средой – измельчительными элементами (на рис. не показано). Снаружи дополнительной полости на ее внешней боковой стенке 10 за- – 661 –

Таблица 1. Характеристика фильтр-кека и ВУТ, приготовленного из него

Table 1. Characteristics of filter mud and WCF prepared from it

№ Наименование параметра Единицы измерения Значение ФК ВУТ 1 Марка угля Т Т 2 Крупность частиц мм 0-0,6 0-0,250 3 Влажность % 29,4 40 4 Зольность % 21,3 21,3 5 Низшая теплота сгорания ккал/кг 4375 3631 (МДж/кг) (18,3) (15,2) 6 Эффективная вязкость при скорости сдвига 81 с-1 мПа×с - менее 500 7 Расход реагента-пластификатора % от сухой массы ФК - 0,3 креплены сливные желоба 11, соединенные со сливными патрубками 12. Корпус установлен на раме 13 через пружины 14. На днище корпуса закреплен вибровозбудитель 15.

Вибромельница работает следующим образом.

Исходный материал и жидкая фаза (например, вода) через питающий патрубок 9 подаются во внутреннюю концентрическую полость 3 корпуса вибромельницы, заполненную измельчающей средой. За счет воздействия вибрирующей измельчающей среды, обеспечиваемого вибровозбудителем 15, осуществляется перемешивание поступающих продуктов и предварительное мокрое измельчение частиц твердого материала. Получаемая гидросмесь через окна 6, оборудованные во вставке 2, за счет перепада высоты смеси в полостях, поступает в следующую внешнюю полость 4 корпуса. Далее через спускные каналы 7 измельченная гидросмесь поступает в дополнительную внешнюю полость 5, также заполненную измельчающей средой, под вибрационным действием которой продолжается мокрое измельчение твердых частиц. При этом движение измельчаемой среды в двух последних полостях осуществляется снизу вверх со скоростью, существенно меньшей, чем в предшествующих полостях, что обеспечивает высокую эффективность измельчения при меньших энергозатратах. Поскольку крупность твердых частиц материала во внутренней и внешней концентрических полостях и дополнительной внешней полости разная, то размер измельчающих элементов в дополнительной внешней полости меньше, чем в предыдущих, что также способствует увеличению эффективности измельчения. Скорость движения гидросмеси в полостях регулируется изменением перепада высоты гидросмеси во внутренней и внешней концентрической полостях и дополнительной внешней полости за счет изменения высоты сливных порогов.

Готовый измельченный продукт из дополнительной внешней полости через сливной порог сливных желобов 11 по патрубкам 12 сливается в приемную емкость (на рис. не показано).

Таким образом, за счет конструктивного выполнения камеры по предлагаемому варианту обеспечивается возможность реализации мокрого способа измельчения материала в вибромельнице с получением более тонкого помола при меньших энергозатратах. В настоящее время изготовлен экспериментальный образец вибромельницы, который прошел успешные испытания на стендовой установке, фото которой представлено на рис. 4.

Рис. 3. Бикамерная вибромельница МиС. Экспериментальный образец: 1 – корпус; 2 – вставки; 3 – внутренняя полость; 4 – внешняя полость; 5 – внешняя дополнительная полость; 6 – окна; 7 – спускные каналы; 8 – верхняя крышка; 9 – питающий патрубок; 10 – боковая стенка; 11 – сливные желоба; 12 – сливной патрубок; 13 – рама; 14 – пружины; 15 – вибровозбудитель

Fig. 3. Two-compartment vibrating mill of MiS type. Experimental unit: 1 – case; 2 – inserts; 3 – internal cavity; 4 – external cavity; 5 – external additional cavity; 6 – windows; 7 – drain channels; 8 – top cover; 9 – feed pipe; 10 – side wall; 11 – drain troughs; 12 – drain pipe; 13 – frame; 14 – springs; 15 – vibration exciter

В таблице 2 представлена техническая характеристика экспериментального образца бика-мерной вибромельницы типа МиС.

Из мельницы готовое топливо самотеком поступает в приемную емкость, откуда насосом перекачивается в расходно-аккумулирующие емкости.

Водоугольное топливо из расходно-аккумулирующих емкостей насосом с регулируемым приводом дозировано подается на сжигание через форсунки в топку вихревого типа котельного агрегата. Котельный агрегат, изготовленный на базе котла «Теплотрон» (г. Новокузнецк), состоит из двух частей: вертикальной вихревой топки и теплообменника газ-вода /9/. Для рас- – 663 –

Рис.4. Экспериментальный участок приготовления топлива

Fig. 4. Experimental section of fuel preparation

Таблица 2. Техническая характеристика вибромельницы типа МиС

Table 2. Technical characteristics of the vibrating mill of MiS type

№ п/п Наименование показателя Единицы измерения Значение МиС-100 1 Назначение мокрый помол материалов 2 Производительность л/ч 200 3 Мощность электродвигателя кВт 2 х 1,5 4 Масса (без мелющих тел) кг 700 5 Масса мелющих тел кг 350 (80/270) 6 Габаритные размеры мм 1370 х 1280 х 1020 7 Суммарный объем камер л 100 8 Диаметр шаров мм 25÷40 пыления ВУТ в топке используется сжатый воздух от компрессорной станции. Подача в топку распыленного сжатым воздухом водоугольного топлива осуществляется тангенциально условной цилиндрической поверхности вихревой камеры сжигания. Для горения топлива в топку также тангенциально вентилятором подается вторичный воздух. Образующиеся в результате горения ВУТ дымовые газы, проходя из топки в теплообменник, отдают тепло прокачиваемой через котельную установку воде. Далее охлажденные газы проходят систему очистки в виде батарейного циклона с тканевым фильтром и удаляются дымососом в атмосферу через дымовую трубу. Съем тепла нагретой воды производится с помощью двух калориферов. Учитывая, что мощность калориферов недостаточна, дополнительное удаление тепла производится путем слива горячей воды в канализацию при соответствующем пополнении холодной воды из внешнего источника (евробаков с водой).

Технология перевода котельного агрегата на полное сжигание ВУТ предусматривает предварительный нагрев топки котла путем сжигания рядового угля на колосниковой решетке до температуры воспламенения ВУТ, которая зависит от марки угля (500-850 °С). Затем осуществляется постепенное замещение сгораемого угля увеличенной подачей ВУТ до выхода на стабильный режим работы котла без подсветки дополнительным топливом – углем.

Разработанный котел (см. рис. 5) состоит из вертикального цилиндрического корпуса с водоохлаждаемой рубашкой, колосниковой решетки и зольника. Наружная поверхность цилиндрического корпуса теплоизолирована. На боковой поверхности корпуса смонтированы горелочные устройства с форсунками и щелевые сопла для тангенциальной подачи дутьевого воздуха. Внутренняя цилиндрическая поверхность камеры сгорания над колосниковой решеткой теплоизолирована термостойким материалом. Для подвода и отвода жидкого теплоносителя смонтированы соответствующие патрубки. Для теплосъема оборудована система теплообмена между горячими продуктами горения и теплоносителем. Корпус котла и система теплообмена связаны газоходом. Корпус котла с зольником и система теплообмена установлены на раме.

Котел работает следующим образом.

Первоначально производится прогрев внутренней полости корпуса котла – камеры сгорания, размещенной над колосниковой решеткой, за счет сжигания твердого топлива (уголь, дрова и др.) на колосниковой решетке. Затем начинается подача суспензионного водоугольного топлива.

Суспензионное водоугольное топливо подается в котел насосом из емкости хранения через форсунки горелочных устройств. В форсунки также подается распыляющий компрессорный воздух. Струи распыленного топлива подаются тангенциально условной поверхности внутри камеры сгорания корпуса котла. Одновременно тангенциально в камеру сгорания подается воздух через щелевые сопла, ориентированные в том же направлении, что и горелочные устройства. За счет организации вихревого движения в корпусе котла осуществляется эффективное сгорание распыленного топлива. Возможные несгоревшие крупные частицы угля выпадают на

Рис. 5. Фото котельной установки

Fig. 5. Photo of a boiler unit

Таблица 3. Результаты испытаний

Table 3. Test results

№ Наименование параметра Единица измерения Значение 1 Расход ВУТ л/ч (кг/ч) 136 (170) 2 Теплопроизводительность котла Гкал/ч (МВт) 0,53 (0,62) 3 Общий расход воды м3/ч 19,6 4 Температура воды на входе в котел °С 83 5 Температура воды на выходе из котла °С 110 6 Температура горения топлива в топке котла °С 1100 7 Температура уходящих газов °С 270 8 Состав дымовых газов: Оксиды азота: NO + NO2 Окись углерода: CO Двуокись серы: SО2 мг/м3 Полученное значение Норма 194+30=224 102 234 750 375 400 9 КПД котла (норма для угольных котлов малой мощности) % 86 81 колосниковую решетку, где догорают, создавая при этом дополнительную «подсветку» в зоне горения распыленного топлива. Крупные частицы золы и шлаковые отложения, накапливаемые на колосниковой решетке, периодически разгружаются в зольник. Образующиеся при сгорании топлива горячие газы через внутреннюю полость крышки котла и газоход поступают в систему теплообмена. В результате происходит теплообмен между горячими газами и жидким теплоносителем. Частичный теплообмен между продуктами горения и жидким теплоносителем происходит также в корпусе котла за счет наличия водоохлаждаемой рубашки. Надежная и эффективная работа котла обеспечивается также наличием адиабатических или близких к ним условий в зоне горения топлива.

Транспортирование дымовых газов из топки в экономайзер предусмотрено с помощью дымососа. После экономайзера дымовые газы поступают в двухступенчатый пылеуловитель, а затем через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.

В таблице 3 представлены результаты испытаний по сжиганию опытной партии суспензионного водоугольного топлива, полученной на основе представленной пробы ФК (табл. 2).

В процессе испытаний было установлено, что приготовленное топливо обладает необходимыми структурно-реологическими и теплофизическими характеристиками для эффективного сжигания вихревым способом. Процесс горения ВУТ в котле стабилен без подачи дополнительного топлива.

Из полученных данных следует, что полезная тепловая мощность котельного агрегата составила 0,53 Гкал/ч (0,62 МВт) при КПД 86 %. В расчете КПД были учтены потери тепла с дымовыми газами и от поверхностей котельного агрегата в окружающую среду. Высокое значение КПД (на 5 % (абс.) выше нормы для угольных котлов малой мощности и практически со- ответствует уровню КПД газовых котлов) объясняется применением высокоэффективной вихревой системы сжигания распыленного тонкодисперсного топлива, при которой механический и химический недожог топлива практически отсутствуют.

Выводы

• 1.    Технология и аппаратурное оформление процесса приготовления ВУТ на основе ФК обеспечивают получение необходимых значений структурно-реологических и теплофизических характеристик суспензионного водоугольного топлива.

• 2.    Технология и аппаратурное оформление процесса сжигания ВУТ на основе ФК обеспечивают стабильную работу котла без подсветки дополнительным топливом. При этом достигнута теплопроизводительность котла, равная 0,53 Гкал/ч (0,62 МВт) при КПД 86 %, что на 5 % (абс.) больше проектного КПД угольных котлов малой мощности и соответствует аналогичному параметру газовых котлов.

• 3.    Результаты измерения состава дымовых газов показали, что уровень вредных выбросов в них ниже нормативных значений для угольных котлов малой мощности.