Разработка технологии получения водоугольного топлива из бурых углей месторождения Кара-Кече Кыргызской Республики

Цитирование: Мурко, В. И. Разработка технологии получения водоугольного топлива из бурых углей месторождения Кара-Кече Кыргызской Республики / В. И. Мурко, А. К. Джундубаев, М. С. Султаналиев, В. А. Кулагин, М. П. Баранова // Журн. Сиб. федер. ун-та. Техника и технологии, 2022, 15(6). С. 648–657. DOI: 10.17516/1999-494X-0422

щее время наиболее подготовлено к освоению Кара-Кеченское буроугольное месторождение, которое считается крупнейшим в стране: его запасы составляют 312,6 млн т (23,3 % запасов Киргизии). Добыча угля осуществляется открытым способом. Угли месторождения Кара-Кече имеют достаточно высокую низшую теплоту сгорания, малосернистые, с низкими значениями зольности и влажности [3–5].

Чтобы водоугольное топливо (ВУТ) можно было транспортировать по трубопроводу с последующим прямым сжиганием в топках ТЭЦ и котельных, необходимо получать суспензии с требуемыми структурно-реологическими и теплотехническими характеристиками, статической и динамической стабильностью. Особое внимание следует уделять качеству распылива-ния перед подачей на топливопотребляющие устройства. Для этого были проведены специальные исследования пневматического распыливания ВУТ из Кара-Кеченского бурого угля в топочном объеме [6–10].

Цель данной работы – исследование возможности получения суспензионного водоугольного топлива из бурого угля месторождения Кара-Кече с необходимыми структурнореологическими и теплотехническими характеристиками, требуемыми для гидротранспортирования по трубопроводам и прямого сжигания в котлах ТЭЦ и котельных.

При проведении исследований были решены следующие задачи:

– выбор пластифицирующей добавки;

– определение основных структурно-реологических характеристик полученного суспензионного топлива;

– приготовление опытной партии ВУТ.

Экспериментальная часть

Представительная проба бурого угля Кара-Кече была отобрана в соответствии с нормативными требованиями из пласта «Основной» предприятия «Кыргызкомур». Характеристика исходного угля представлена в табл. 1.

Полученные на основе данного угля порции ВУТ анализировали на гранулометрический состав, зольность, влажность и вязкость.

Таблица 1. Характеристика исходного угля

Table 1. Characteristics of initial coal

Марка угля	Б-3
Влага общая, WTt , %	12,5
Зольность, A , %	16,7
Выход летучих веществ, %	28,7*
Общая сера, S\ , %	0,65*
Низшая теплота сгорания, Qi , МДж/кг (ккал/кг)	20,23(4832)
Высшая теплота сгорания, Q^af , МДж/кг (ккал/кг)	27,47 (6560) *

* Данные ГП «Кыргызкомур».

Массовую долю твердой фазы в ВУС определяли стандартным методом по ГОСТ 52911– 2020, гранулометрический состав – согласно ГОСТ 2093–82. Зольность определяли по ГОСТ 55661–2013. Для определения срединного диаметра частиц исходного угля и твердой фазы в ВУТ применяли аналитическую зависимость гранулометрического состава в виде распределения Розина-Раммлера [8–14].

Для исследования особенностей процесса приготовления ВУТ и выбора эффективных пластифицирующих добавок использовали вибростенд СВУ-2, в котором возможно осуществлять как перемешивание (в смесительной камере), так и измельчение (в помольной емкости) исходных компонентов.

Определение структурно-реологических характеристик ВУТ производили с использованием ротационного вискозиметра «RHEOTEST» в диапазоне скоростей сдвига от 1,0 до 437,4 с-1 со стандартной системой цилиндров S 2. Температура измерений составляла 20±5 °C.

Учитывая, что водоугольные суспензии с массовой долей твердой фазы более 50 % являются существенно неньютоновскими жидкостями, для каждой из исследуемых проб ВУТ по результатам измерений напряжений на различных скоростях сдвига определяли коэффициенты степенного и бингамовского реологических уравнений [12–17].

Результаты и их обсуждение

Технический анализ угля Кара-Кеченского месторождения показал, что зольность угля составила порядка 16 %, а влажность 12–13 %. На первом этапе работы исследованы элементы технологии приготовления водоугольного топлива в лабораторных условиях. Были разработаны составы эффективных комплексных пластифицирующих добавок для бурых углей месторождения Кара-Кече и определены значения основных структурно-реологических характеристик полученного топлива [4, 5, 15].

Согласно методике в вибросмеситель загружали уголь, комплексную добавку и воду. Для определения наиболее эффективной добавки в процессе получения ВУТ использовали несколько видов комплексных добавок. Добавки состояли как из одного, так и из двух компонентов: разжижающего и стабилизирующего. Количество добавки менялось в зависимости от ее типа и содержания твердой фазы в ВУТ. Также менялось соотношение компонентов в составе комплексных добавок.

Эффективность добавки определяли по минимальным значениям вязкости при наибольшем содержании твердой фазы в ВУТ и статической стабильности, которая должна быть не менее 10 суток [13, 16].

В ходе проведения лабораторных исследований установлен оптимальный состав пластифицирующей добавки. Точный состав добавки является коммерческой тайной. Количество вводимой пластифицирующей добавки составило 0,3 % на массу угля в ВУТ при максимально возможном содержании твердой фазы в ВУТ Ств = 52,9 % и эффективной вязкости при скорости сдвига 81 с-1 менее 500 мПа^с. (табл. 2).

Для оптимальной по реологическим характеристикам пробы построены кривые течения (рис. 1) для степенной (т = к • у ) и бингамовской (т = t_q + ц_о • у) моделей, где т - напряжение сдвига, Па; k – коэффициент консистентности, Па·^с ; γ – скорость сдвига, с ; n – показатель степени; τ – начальное напряжение сдвига, Па; μ – структурная вязкость, Па·с.

Таблица 2. Значения коэффициентов реологических моделей течения ВУТ из бурого угля разреза «Кара-Кече»

Table 2. Values of coefficients of rheological models of a current of CWS from brown coal of Kara-Keche coal mine

№ пробы	Реологические модели течения
	Степенная (псевдопластичная)					Бингамовская (вязкопластичная)
	Н Н " В g О О И 2 § в У S о н Св Л Г^ m к к о	И и g н S 9* оо И g § св У S н ^ НН ^ Й гз О ц m и к о	н ° Я и Уну S Щ оЗ КН*—* t S ^ W о	S К к	св  о  К я О щ И к о У к К ® к о У  св  И U и о	° м 5 « я 5 к Й К К о	к 8 ^ но' U и	св  о  К Я о щ и к В У к к ® к о У  св  И Uno
1	2862	474	10,26	0,29	0,04	24,98	0,09	0,19
2	1822	489	1,55	0,75	0,21	13,59	0,31	0,09
3	3841	652	15,65	0,21	0,59	34,17	0,04	0,74
4	2709	785	3,37	0,69	0,20	20,05	0,48	0,30
5	2438	563	2,80	0,67	0,34	8,77	0,35	0,13
6	2050	948	1,75	0,88	0,10	11,09	0,82	0,10

Рис. 1. Реологические кривые течения ВУТ

Fig. 1. Rheological curve currents of CWS

В табл. 3 представлены структурно-реологические характеристики ВУТ, полученные в ходе лабораторных исследований, которые позволили определить наиболее эффективный тип добавки, ее количество, максимально возможное содержание твердой фазы, гранулометрическое распределение частиц угля и низшую теплоту сгорания такого топлива.

Как показывают данные табл. 2 и 3, при максимально возможном содержании твердой фазы в ВУТ (Ст= 52,3 %) эффективная вязкость при скорости сдвига 81 с-1 составила 415 мПа·с.

– 652 –

Таблица 3. Характеристика ВУТ из бурого угля разреза «Кара-Кече»

№ пробы	Наименование добавки	Количество добавки, %	Содержание твердой фазы в ВУТ, СТ , %	Гранулометрический состав, классы, мм					Низшая теплота сгорания, Q1^, МДж/кг ( ккал/кг)
				+1,0	0.355: 1,0	0,250÷ 0,355	0,071÷ 0,250	-0,071
1	Без реагента	-	51,5	-	-	0,5	20,9	78,6	10,10 (2413)
2	Тип Т	0,3	52,9	0,1	0.2	0,4	21,4	77,9	10,48 (2502)
3	Тип L	1,5	53,6	0,1	0,1	0,2	21,2	77,8	10,67 (2549)
4	Тип C	0,3	53,3	-	0,1	0,3	21,0	78,6	10,61 (2535)
5	Вариант А5	0,3	52,7	0,2	0,3	0,1	21,7	77,7	10,44 (2493)
6	. Вариант В2	2,0	53,6	-	0,1	0,7	21,1	78,1	10,67 (2549)

Fig. 2. Granulometric distributions of particles in CWS from brown coal

После измельчения в вибрационной мельнице срединный диаметр частиц угля уменьшился в 6,5 раза – от dсред. = 0,481 мм (в исходном угле) до dсред = 0,074 мм (в ВУТ).

Время измельчения в виброкамере составляло, как правило, 4 минуты. Обработка гранулометрического состава твердых частиц в ВУТ по уравнению Розина-Раммлера показала, что полученные зависимости хорошо описывают экспериментальные значения (рис. 2) [1, 6–11].

Полученное топливо имело необходимые текучие свойства и сохраняло седиментационную устойчивость в течение 14 суток.

Результаты, полученные при приготовлении ВУТ из бурого угля Кара-Кече на вибростенде СВУ-2, позволили перейти к подготовке и исследованию опытной партии ВУТ из этого – 653 – угля. Опытная партия ВУТ была получена на демонстрационном стенде СибГИУ [1, 4, 5]. Смешивание предварительно отсеянного от класса 0–6 мм бурого угля Кара-Кече класса 0–3 мм с раствором пластификатора осуществляли в лопастном смесителе. Смеситель работал в дискретном режиме. За час происходило два цикла перемешивания, часовая производительность смесителя составляла 3 м3/ч по готовому продукту. При плотности гидросмеси в среднем 1,23– 1,25 т/м3 объём полученной суспензии был равен 3,7 и 3,75 т/ч соответственно.

Гранулометрический состав опытной партий суспензионного ВУТ из бурого угля Кара-Кече показан на рис. 3.

Исследования показали, что структурно-реологические (рис. 4) и теплотехнические характеристики опытной партии ВУТ соответствуют аналогичным характеристикам лабораторных порций, полученных на вибростенде, что указывает на практическую реализуемость разработанной технологии получения ВУТ.

Полученное топливо пригодно для гидротранспортирования и прямого сжигания в топках котлов ТЭЦ и котельных [16].

Рис. 3. Характеристики гранулометрического состава опытной партии ВУТ из бурого угля (разрез «Кара-Кече»)

Fig. 3. Characteristics of granulometric structure of a pilot batch of CWS from brown coal (Kara-Keche coal mine)

Рис. 4. Реологические кривые течения (опытная партия ВУТ)

Fig. 4. Rheological curve currents (pilot batch of CWS)

Заключение

Выполненные исследования показали возможность получения суспензионного угольного топлива из бурых углей месторождения Кара-Кече с необходимыми структурнореологическими и теплотехническими характеристиками:

– массовая доля твердой фазы – до 53,0 %;

– зольность – от 16,0 до 17,0 %;

• -    эффективная вязкость при скорости сдвига 81 с^-1 при температуре 20 °С - от 400 до 450 мПа^с;

• –    низшая теплота сгорания ВУТ – от 10,1 до 10,7 МДж/кг (2413 до 2549 ккал/кг);

• –    гранулометрический состав: 0–250 мм – до 5,0 %, 0,071 мм – 60,0–80,0 %; – статическая стабильность до 15 сут.