Особенности получения водоугольных суспензий электроразрядными способами

Как в России, так и за рубежом проводятся работы по технологии получения и использования угольных суспензий, которые представляют собой композиционную дисперсную систему, состоящую из твердой фазы в виде мелкодисперсного угля и жидкой среды (вода, спирты, углеводороды, продукты переработки нефти).

Традиционная технология производства водоугольного топлива (ВУТ) энерго- и металлозатратна, а топливо обладает рядом недостатков: устойчивость топливной системы всего от 20 до 60 сут, основные размеры твердых частиц лежат в диапазоне 60-250 мкм, технологические схемы для создания устойчивой структуры топлива усложняют производство и увеличивают стоимость ВУТ. В настоящее время использование искусственного водоугольного топлива распространено в Японии, Китае и в некоторых европейских странах [1, 2].

На современном уровне производство ВУТ должно быть основано на новых принципах, которые бы позволяли получать топливо с меньшими энергозатратами, более высокого качества, с большей долей децентрализации производства, что в наших условиях связано с удешевлением перевозок и хранением ВУТ. Должен быть существенно увеличен КПД углеразмалывающих устройств.

В настоящий момент существующие методы приготовления водоугольного топлива основываются на механическом воздействии на составляющие ВУТ с добавлением пластификатора для гомогенизации. Известные пластификаторы являются отходами фенольного и нафталинового производства, пары которых обладают канцерогенной активностью и способны разрушать эритроциты крови человека.

В лаборатории «Физика плазмы и плазменные технологии» проводились эксперименты с приготовлением ВУТ плазменным и электролитическим методами без применения пластификаторов. В данной работе использовался уголь марки «Д» Тугнуйского угольного разреза, характеристики которого приведены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Характеристики угля Тугнуйского угольного разреза

Q низшая теплота сгорания, ккал/кг	W – влажность, %	Аа – зольность, %	V – выход летучих газов, %
5500	14,0	29	45

Таблица 2

Минеральная и органическая масса угля

Органическая масса, %					Минеральная масса, %
С	О	Н	N	S	SiO 2	Al 2 O 3	Fe 2 O 3	CaO	MgO	K 2 O	Na 2 O
74,2	14,5	5,27	1,43	0,37	52,3	26,5	5,5	4,3	1,4	1,3	0,5

При проведении эксперимента электролитическим методом в емкость засыпалась угольная пыль фракцией от 100 мкм, перемешивалась с водой, и затем полученная смесь обрабатывалась электрическим током. После подачи напряжения протекал процесс электрохимической (электролитической) обработки смеси при постоянном или переменном токе, в процессе наблюдалось выделение газов. Электрический разряд проходит между внутренним электродом и корпусом емкости. Для равномерной электрохимической обработки водоугольной суспензии внутренний электрод имеет сферическую форму и вращается электродвигателем.

Анализ образцов показал, что зольность упала с 29 до 18 % вследствие выделения оксидов газов S, N и O. Отсюда следует, что под действием энергии разряда происходила дезинтеграция угля с частичным выжиганием серы, находящейся в нем, а также локальное разложение молекулы воды с образованием атомарных ионизированных ионов водорода и кислорода. Зольность определяли по методу медленного озоления угля (ГОСТ 6383-52) [3].

В результате обоих экспериментов была получена водоугольная суспензия из Тугнуй-ского угля фракцией 0,1 мм с соотношением твердой и жидкой фаз 50/50 и седиментационной стабильностью в течение 2 сут, т.е. сохраняет равномерное распределение частиц по всему объему суспензии.

При плазменной подготовке ВУТ в камеру газификатора с вращающейся внутри электрической дугой подавалась угольная пыль фракцией от 100 мкм и затем легкие частицы обработанного угля выносились с уходящими газами, вымывались и оседали на дне скруббера, а также в циклоне.

Структура и химический состав образцов до и после обработки обоими методами исследовались в ЦКП «Прогресс» на растровом электронном микроскопе JSM-6510LV JEOL.

Результаты исследований представлены в таблицах 3, 4, 5.

Таблица 3

Исходный уголь (Тугнуйский)

Элемент	C	O	Mg	Al	Si	S	Ca	Fe	Cu	Zn	Итог
Весовой %	42,0	38,8	0,22	3,72	5,68	1,93	0,55	5,56	0,88	0,57	100,0

Таблица 4

Электролитический метод

Элемент	C	O	Al	Si	S	Fe	Cu	Zn	Zr	Итог
Весовой %	71,56	22,17	0,58	0,93	0,76	0,36	0,41	0,44	2,80	100,00

Таблица 5

Плазменный метод (проба в циклоне)

Элемент	C	O	Na	Mg	Al	Si	S	K	Ca	Ti	Fe	Cu	Zn	Итог
Весовой %	72,4	21,3	0,07	0,08	1,34	3,03	0,30	0,11	0,29	0,06	0,41	0,38	0,2	100,0

Таблица 6

Плазменный метод (проба на дне скруббера)

Элемент	C	O	Na	Mg	Al	Si	S	Сl	K	Ca	Ti	Fe	Cu	Zn	Итог
Весовой %	67,05	25,23	0,18	0,08	0,85	1,78	1,17	0,13	0,08	0,16	0,01	2,41	0,47	0,41	100,0

Результаты анализов показали, что после обработки количество серы и кислорода значительно уменьшилось относительно параметров исходного угля, а содержание углерода увеличилось, что является положительным результатом (табл. 7).

Таблица 7

Характеристики проб

Вещество,% Проба	S	O
Исходная проба	1,93	38,82
Проба после плазменной обработки на дне скруббера	1,17	25,23
Проба после плазменной обработки в циклоне	0,3	21,31
Проба после электроразрядной обработки	0,76	22,17

Из таблицы 7 видно, что плазменный метод в большей степени уменьшает содержание кислорода и серы, чем электроразрядный метод, в результате более интенсивного термического и химического воздействия

Таким образом, на основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

при предварительной обработке мелкодисперсной угольной пыли в потоке низкотемпературной плазмы угольные частицы приобретают пористую структуру (за счет реакции газификации, выделения летучих веществ, влаги), что в дальнейшем позволяет получить водоугольную суспензию с высокой седиментарной стабильностью;

при обработке мелкодисперсной угольной пыли электрическим разрядом в воде при одновременном перемешивании смеси также возможно получение водоугольной суспензии;

Наряду с этим необходимо отметить, что изменения элементного состава и микроструктуры угольных частиц имеют схожий характер, хотя механизм воздействия газоразрядной плазмы и электрического разряда в жидкости существенно отличаются.

На данном этапе исследований ставилась задача возможности получения ВУС электро-разрядными способами без применения пластификаторов и изучения состава и структуры угольных частиц. Изучение взаимодействия газового разряда с угольным потоком и электрического разряда с угольными частицами в потоке жидкости (воды) является направлением дальнейших исследований.