Создание технологии нового вида топлива на основе водных дисперсий углей Узбекистана

Актуальность и востребованность темы диссертации. В связи постоянным уменьшением запасов нефти и газа, а также ростом их стоимости на мировом рынке возрастает роль твердого топлива в топливно-энергетическом балансе Узбекистана. Однако, экологические проблемы, возникающие при использовании твердого угольного топлива, требуют разработки и внедрения новых экологически чистых угольно-топливных технологий. Такой является разработанная в последнее время в мировой практике перспективная технология, связанная с использованием угля в виде водоугольных топливных суспензий (ВУТС). Сжигание угля в форме ВУТС обладает рядом экономических, экологических и эксплуатационных преимуществ по сравнению с пылевидным и, особенно, слоевым сжиганием. Применение ВУТС позволяет увеличить эффективность сжигания угля, утилизировать угольные шламы, уменьшить взрывоопасность тонкодисперсной угольной пыли в энергетических котлах, снизить количество выбросов оксидов азота и серы в атмосферу. Внедрение относительно дешевого по себестоимости топлива - ВУТС в практику способствует сбережению энергетических и материальных ресурсов, ограничению загрязнения окружающей среды.
С учетом преимуществ ВУ1С по сравнению с современными видами топлива, а также возможности использования для их создания дешёвого местного угольного сырья, разработка способа получения новых устойчивых ВУТС на основе бурых Ангренских и каменных Шаргунских углей, а также их рациональное сжигание в различного вида топочных устройствах взамен мазута и природного газа может служить одним из перспективных направлений развития энергетики и угольной промышленности республики.
Настоящая диссертационная работа ориентирована на реализацию постановлений Президента Республики Узбекистан ПП-1442 от 15 декабря 2010 г. «О приоритетах развития промышленности Республики Узбекистан в 2011-2015 годах», а также Кабинета Министров Республики Узбекистан от 30 октября 2013 г., № 292 «Развитие экономики и управление производством угольной промышленности, повышение качественного уровня разрабатываемой новой продукции за счет проектно-разведовательских и научно-исследовательских работ», от 6 июня 2013 г., №161 «Развитие угольной промышленности за счет реализации приоритетных инвестиционных проектов направленных на удовлетворение растущей потребности населения в угольной продукции на период 2013-2018 годы», которые направлены на ускорение внедрения в отраслях промышленности современных научных достижений и прогрессивных инновационных технологий производства ВУТС на основе углей Узбекистана.
Цель исследования заключается в разработке технологии получения ВУТС на основе углей Узбекистана и их применения в топочных устройствах промышленных предприятий.
Научная новизна исследования: установлено физико - химические свойства (влажность, зольность, содержание летучих веществ, карбоксильных и гидроксильных групп, теплотворность) Ангренских бурых и каменных Шаргунских углей, определены реологические свойства ВУТС, полученных на основе низко - и высокозольных Ангренских бурых и каменных Шаргунских углей;
найдены оптимальные количества стабилизирующих и пластифицирующих (NaOH, Са(ОН)2, ПАВ) добавок к ВУТС. При добавлении стабилизаторов NaOH и Са(ОН)2 в пределах 0,5-2,0% от массы топлива, его вязкость увеличивается, а динамическое напряжение сдвига уменьшается, так при увеличении температуры с 20° до 60°С вязкость ВУТС уменьшается в 1,5-2,0 раза, а динамическое напряжение сдвига увеличивается в 2 раза;
выявлено, что вязкость ВУТС, полученных на основе бурых углей несколько выше, чем полученных на основе каменных углей, например, если эта величина для ВУТС, полученной на основе бурого угля марки 2БПК составляет 2,52 Па с., то для ВУТС, полученной на основе каменного угля марки 1ССКОМ, составляет 1,84 Па с;
для топлива, дисперсная фаза которого состоит из частиц с размерами до 50 мкм (80%), найдено влияние содержания дисперсной фазы на показатели структурной вязкости, устойчивости, текучести и сгораемости. Для ВУТС, полученных на основе углей марки 2БПК, 2БОМСШ-Б1, 2БОМСШ-Б2 и 1ССКОМ, количество твердой фазы составляет 38-40 %, 44-46 %, 49-51 % и 52-55%, соответственно;
мадифицированием Ангренских бурых углей марки 2БПК, 2БОМСШ-Б1, 2БОМСШ-Б2 мазутом (4-16 % от массы топлива), получены устовчивые и высокотеплотворные ВУТС. Показано, что для ВУТС, полученной на основе угля марки 2БПК в оптимальных условиях, её топлотворность составлеет 2900 ккал/кг;
на основании использавания новой факельной горелки, позволяющей подачу предварительно нагретого топлива и сжатого воздуха в топочные устройства, отработаны оптимальные режимы технологии равномерного и полного сгорания ВУТС.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Впервые научно обоснована возможность эффективного применения низко- и высокозольных бурых Ангренских и каменных Шаргунских углей Узбекистана в качестве сырья для получения альтернативных жидким нефтяным топливам водоугольно-топливных суспензий (ВУТС) и разработан соответствующий оптимальный режим технологии для нормального и полного их сгорания.
2. Разработана технология получения ВУТС на основе бурых Ангренских углей марок 2БПК, БОМСШ-Б1, БОМСШ-Б2 в комплексе со стабилизирующими и пластифицирующими добавками NaOH, Са(ОН)г, ПАВ и модифицированием угля мазутом. Показано, что теплотворность ВУТС на основе угля марки 2БПК составляет 2900 ккал/кг (12,2 МЖ/кг), она увеличивается, также как показатели седиметационной устойчивости и текучести ВУТС, при их модифицировании добавками мазута, стабилизаторов и пластификаторов.
3. Установлена корреляционная зависимость реологической характеристики ВУТС от физико-химических свойств углей (зольность, влагоёмкость, теплотворность, содержание летучих веществ, карбоксильных и гидроксильных групп), их количественного содержания в топливной суспензии, степени дисперсности частиц угля, содержания стабилизирующих добавок и pH дисперсионной среды. Показано, что у обработанных оптимальными количествами добавок стабилизаторов и пластификаторов (NaOH, Са(ОН)2 ПАВ) топливных суспензий их показатели стабильности, вязкости и текучести практически сохраняются постоянными.
4. Выявлено, что структурная вязкость ВУТС, полученных на основе бурых углей, значительно выше (2,52 Па с у суспензии, полученной на основе бурого угля марки 2БПК), чем полученных на основе каменных углей (1,84 Па с у суспензии, полученной на основе каменного угля марки 1ССКОМ), что связано с достаточно высоким содержанием карбоксильных и гидроксильных групп в макромолекулах бурых углей.
5. Установлено, что при добавлении стабилизаторов NaOH и Са(ОН)2 в пределах 0,5-2,0% от массы топлива его реологические параметры остаются практически постоянными во времени; при повышении температуры от 20° до 60°С структурая вязкость ВУТС уменьшается более чем в 1,5-2,0 раза, а динамическое напряжение сдвига увеличивается в 2 раза.
6. Показано, что структурная вязкость и стабильность ВУТС зависят от содержания в ней фракции твердой фазы с размерами частиц угля менее 50 мкм. С увеличением содержания этой фракции в общей массе угля показатели указанных параметров суспензии возрастают. Суспензии с оптимальными значениями структурной вязкости и стабильности образуются при содержании в массе угля этой фракции не более 80%, что можно достичь регулированием времени измельчения угля. Найдено, что в ВУТСах, полученных на основе углей марок 2БПК, 2БОМСШ-Б1, 2БОМСШ-Б2 и 1ССКОМ, содержание твердой фазы составляет 38-40, 44-46, 49-51 и 52-55%, соответственно.
7. Показана возможность сжигания полученных устойчивых ВУТС в топочных устройствах с использованием разработанной новой факельной горелки и установлено, что процесс их горения характеризуется высокой полнотой выгорания угля (98,0-99,7%), что объясняется известным мнением о том, что содержащийся в дисперсионной среде топлива кислород играет роль промежуточного окислителя практически на всех стадиях его горения и, тем самым, активирует поверхность твердой фазы топлива, в результате чего воспламенение её распыленных частичек начинается не с воспламенения летучих компонентов, а с гетерогенных реакций окисления на их поверхности; найдено, что ВУТС с нормальными реологическими свойствами можно получить при использовании не только водопроводной воды с жесткостью 2,5 мг-экв/л, но также с привлечением отвечающей нормам ПДК производственной сточной воды (4,4 мг-экв/л), которая более доступна и экономически целесообразна.
8. Разработан технологический регламент и инструкция получения и сжигания ВУТС на основе бурых и каменных углей Узбекистана, проведены опытно-промышленные испытания (в периоды с 18.07.2013 по 20.07.2013г и с 14.11.2014 по 17.11.2014г.) разработанных ВУТС при их сжигании в топке сушильной печи Ангренской ЗИФ АГМК; экономический эффект при замене мазута на ВУТС при постоянном ее использовании составит 291,6 млн. сум в год без учета амортизационных расходов. При замене применяемых в настоящее время видов топлива (мазут, природный газ и др.) на ВУТС на предприятиях АО «Алмалыкский ГМК», а далее в масштабах ГАК «Узбекэнерго», показатели экономической эффективности значительно возрастут. Полученные ВУТС рекомендованы в качестве альтернативных топлив для широкого использования в тепло- и энергоагрегатах ряда промышленных, сельскохозяйственных и коммунальных сфер Республики.