Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ формирования технологических свойств водоугольных топливных суспензий 9
1.1 Технологические особенности приготовления и использования ВУС из каменных и бурых углей 9
1.2 Значение и взаимосвязь параметров ВУС 12
1.3 Реология высококонцентрированных водоугольных суспензий и роль коллоидно-химических факторов 14
1.4 Влияние физико-химического состава угля на свойства водоугольных суспензий 17
1.5 Влияние процесса механохимической деструкции угля на характеристики получаемых ВУС 20
1.6 Пластификация ВУС химическими реагентами 22
1.7 Процессы гомогенизации и структурообразования 25
1.8 Особенности сжигания водоугольных суспензий 26
1.9 Экологические аспекты 33
1.10 Выбор цели и постановка задач исследования 35
2. Физико-химические характеристики углей, использованных в работе и методика проведения экспериментальных исследований 36
2.1 Характеристика каменных углей месторождений Кузбасса 36
2.2 Краткая характеристика бурых углей КАБа 39
2.3 Характеристика обводненных угольных месторождений Дальнего Востока 47
2.4 Методы оценки и требования к характеристикам ВУС 51
2.5 Выводы по главе 58
3. Технология получения, хранения и транспортирования водоугольных суспензий из каменных углей и смеси углей разной степени метаморфизма 59
3.1 Получение деминерализованных ВУС 59
3.2 Определение технологических параметров получения каменноугольных ВУС 63
3.2.1 Влияние химических реагентов на реологические характеристики ВУС из каменных углей 64
3.2.2 Влияние процесса гомогенизации на стабильность и реологические свойства ВУС 64
3.3 Использование в качестве твердой фазы ВУС шихты углей разной степени метаморфизма 68
3.4 Разработка системы размола угля с получением бимодального состава шихты с добавлением бурого угля 74
3.5 Получение ВУС на основе смеси углей разной степени метаморфизма в опытно-промышленных масштабах 78
3.6 Исследование процесса получения ВУС в опытно-промышленных условиях 83
3.7 Влияние физико-химического состава каменного угля на характеристики ВУС 86
3.8 Математические модели для анализа и расчета режимов трубопроводного транспорта 92
3.9 Выводы по главе 104
4. Технология получения, хранения, транспортирования и сжигания водоугольных суспензий из бурых углей и их смесей 106
4.1 Получение ВУС из бурых углей Канско-Ачинского бассейна 106
4.1.1 Сравнение сухого и мокрого способов получения ВУС 106
4.1.2 Получение ВУС в мельничных конструкциях высокой энергонасыщенности 110
4.1.3 Влияние степени окисленности угля на характеристики ВУС 116
4.1.4 Получение ВУС из Березовского и Бородинского углей с максимальным содержанием твердой фазы 117
4.1.5 Природа стабилизации водоугольных топливных суспензий 120
4.1.6 Установление корреляционных зависимостей реологических характеристик суспензий от состава угля и построение математических моделей 127
4.1.7 Влияние температуры на реологические характеристики водоугольных суспензий из бурых углей 135
4.1.8 Возможность использования технической воды Березовского разреза и влияние ее состава на реологические характеристики суспензий 140
4.1.9 Получение ВУС на экспериментальном стенде 143
4.1.10 Исследование седиментационной стабильности ВУС, полученной на опытно-промышленном оборудовании 149
4.1.11 Получение ВУС на промышленном оборудовании 151
4.1.12 Сжигание водоугольных суспензионных топлив из разнометаморфизованных углей 157
4.1.13 Выводы по главе 164
4.2 Технология получения, хранения, транспортирования водоугольных суспензий на базе бурых углей обводненных месторождений Дальнего Востока 167
4.2.1 Влияние влажности исходного угля на реологические характеристики водоугольных суспензий 168
4.2.2 Влияние физико-химических характеристик и степени измельчения угля на свойства водоугольных суспензий 172
4.2.3 Подбор пластифицирующих добавок для суспензий из бурых углей обводненныхместорождений 176
4.2.4 Стабильность ВУС из бурых углей обводненных месторождений в динамических условиях 181
4.2.5 Получение ВВУС из рядового угля Павловского месторождения 182
4.2.6 Получение ВУС из каменного угля Огоджинского месторождения 182
4.2.7 Получение ВУС из смесей углей разной степени метаморфизма обводненных месторождений Дальнего Востока 188
4.2.8 Комплексная технология получения и транспорта водо-угольных суспензий из угля разной степени метаморфизма 197
4.2.9 Выводы по главе 203
4.3. Технология получения и сжигания топливных водоугольных суспензий из монгольских бурых углей 205
4.3.1 Получение водоугольных топливных суспензий из бурых монгольских углей 205
4.3.2 Получение ВУС из монгольских углей в опытно-промышленном масштабе 210
4.3.3 Сжигание ВУС из монгольских бурых углей на опытно-промышленной установке 215
4.3.4 Выводы по главе 220
5. Технологические комплексы для получения и сжигания вус из отходов углеобогащения 221
5.1 Экологически чистая технология утилизации тонкодисперсных отходов углеобогащения 221
5.2 Сжигание ВУС, полученных из углей разной степени метаморфизма и отходов углепереработки 228
5.3 Выводы по главе 231
Основные выводы и рекомендации 234
Список использованных источников 236
- Значение и взаимосвязь параметров ВУС
- Характеристика обводненных угольных месторождений Дальнего Востока
- Влияние химических реагентов на реологические характеристики ВУС из каменных углей
- Сжигание водоугольных суспензионных топлив из разнометаморфизованных углей
Введение к работе
Актуальность темы диссертации обусловлена проблемой модернизации производственных процессов в плане энергоэффективности, экологической и производственной безопасности как стратегического направления на современном этапе развития экономики страны. В настоящее время увеличивается дефицит жидкого и газообразного топлив на рынке, что отражается на росте их стоимости. В связи с этим в последние годы в России, в странах СНГ и дальнего зарубежья возрос интерес к использованию в малой и средней энергетике угля и нетрадиционных топлив. В ближайшей перспективе прогнозируется повышение роли угля в топливно-энергетическом балансе страны, что связано с его крупными запасами. Однако экологические ограничения требуют разработки и внедрения новых угольных технологий, обеспечивающих высокую полноту использования топлива в энергетических системах и комплексах с целью повышения их экономичности, надежности, безопасности и снижения вредного воздействия на окружающую среду.
В этой связи становятся важными проблемы исследования и разработки: нетрадиционных источников энергии и новых ресурсосберегающих технологий преобразования энергии; научных подходов, методов и технологий по снижению вредного воздействия энергетических систем на окружающую среду; технологий, связанных с транспортировкой энергоносителей в энергетических системах и комплексах.
Решение указанных проблем может быть достигнуто при создании конкурентоспособных технологий переработки угля и утилизации отходов в виде суспензионных угольных топлив. Использование водоугольньгх суспензий (ВУС) позволяет решить ряд вопросов, связанных с транспортировкой угля в ряде случаев более экономичным видом транспорта - трубопроводным. При этом исключаются потери, связанные с ухудшением качества топлива: процессами окисления, выветривания, пыления, смерзания и т.п., это - важный элемент энергосбережения и ресурсосбережения при транспортировке энергоносителей, решении проблем развития энергетики городов и регионов, энергетических систем и комплексов. В работах С. В. Алексеенко, А. А. Беляева, А. И. Борзова, Е. Г. Горлова, К. А. Григорьева, Г. Н. Делягина, В. Е. Зайденварга, Т. А. Кулагиной, В. А. Кулагина, А. С. Макарова, Л. И. Мальцева, В. И. Мурко, К. Н. Трубецкого и др. отмечается, что качество сжигания ВУС существенно зависит от дисперсионных характеристик топлива, а также способа сжигания и свойств топливной смеси, которые в существенной мере определяются процессом его получения. Несмотря на большой опыт использования ВУС, в основном за рубежом (Китай, Япония и др.), существует ряд проблем: получения суспензий, удовлетворяющих требованиям по реологическим характеристикам и стабильности; снижения энергопотребления при производстве ВУС; снижения расхода поверхностно-активных веществ (ПАВ) и др.
Бурые угли привлекают к себе внимание относительной дешевизной и возможностью надежных поставок на длительный период, что может решить ряд проблем, связанных с развитием энергетики городов и регионов. К тому же, существуют возможности улучшения теплотехнических характеристик ВУС. К безусловным преимуществам ВУС следует отнести: экологически безопасное обращение на всех стадиях производства, транспортирования и использования; в 1,5-3,5 раза снижение вредных выбросов в атмосферу (пыли, оксидов азота, бенз(а)пирена, двуокиси серы); возможность эффективно использовать образующуюся при сжигании летучую золу; снижение стоимости 1 т у.т. (в 1,3-5 раз); возможность утилизации отходов угледобьши и углепереработки, замасленных и замазученных вод; уменьшение на 15-30 % эксплуатационных затрат при хранении, транспортировании и сжигании и многое другое.
Таким образом, создание технологий приготовления водоугольных суспензий из углей разной стадии метаморфизма позволит реализовать универсальные и экономичные системы различной теплопроизводительности, актуально и имеет большое научное и практическое значение для развития энергетических комплексов и систем. Работа выполнена по приоритетному направлению развития науки, технологий и техники РФ Пр-577 «Энергосберегающие технологии», критические технологии «Производство электроэнергии и тепла на органическом топливе», «Системы жизнеобеспечения и защиты человека», «Энергосбережение», а также в рамках научных исследований по Всероссийской программе «Энергосбережение Минобразования РФ» (2003-2005), Международному проекту TACIS по энергосбережению (1998-2000), ГНТПР России «Экологически чистая энергетика» и в соответствие с координационными планами Минуглепрома, Миннефтегазстроя, НИОКР КАТЭКНИИуголь и в ходе выполнения Гос. Контрактов: № 02.740.11.0757 от 12.04.2010 г. «Выполнить комплекс исследований по разработке энергосберегающих технологий производства, транспортирования и распределения тепла в условиях Сибири и Крайнего Севера» (СибГИУ, ЗАО НПП «Сибэкотехника», Новокузнецк); № 16.526.11.6005 от 08.08.2011 г. «Разработка технологии и энергоэффективного комплекса оборудования для термообработки бурых углей и промышленных отходов, повышающих их потребительские свойства» (ОАО «Компомаш», Москва).
Объект исследования - ВУС из углей различной степени метаморфизма.
Предмет исследования - технологические процессы получения, транспортирования, хранения и использования нетрадиционных источников энергии в виде водоугольных топливных суспензий.
Цель диссертационной работы состоит в развитии теоретических основ и технологических решений получения, транспорта и сжигания водоугольных суспензий из углей различной степени метаморфизма и отходов их обогащения.
Для достижения этой цели решены следующие задачи:
-
Установить зависимости технологических параметров ВУС от физико-химических и теплотехнических характеристик используемого угля;
-
Изучить возможность получения суспензий, удовлетворяющих оптимальным требованиям по зольности, содержанию твердой фазы, реологическим характеристикам и стабильности;
-
Сформулировать феноменологическую модель формирования суспензий из углей разной степени метаморфизма с учетом их структурно-реологических особенностей;
-
Определить рациональные технологические режимы получения ВУС. Обосновать технологические схемы приготовления ВУС из углей различной степени метаморфизма. Разработать технологические процессы приготовления топливных водоугольных суспензий с использованием вторичных ресурсов и отходов различных производств;
-
Исследовать влияние конструктивных и режимных параметров применяемого оборудования на технологические характеристики получаемых ВУС. Обосновать возможность получения транспортабельных ВУС на основе смесей углей разной степени метаморфизма в лабораторном и в опытно-промышленном масштабах и доказать возможность их сжигания.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы численные методы решений математических моделей с помощью пакетов прикладных программ Ansys, SigmaFlow и программного комплекса COMSOL Multiphysics. Экспериментальные исследования и работы проведены на лабораторном оборудовании,
стендовых установках, опытно-промышленном и промышленном оборудовании производительностью до 220 т в час.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту, состоят в обоснованиях и доказательствах научных основ принятия технических и технологических решений для получения, транспортировки и сжигания водоугольных суспензий из углей разной степени метаморфизма, а именно:
-
Корреляционными методами установлены основные зависимости технологических параметров ВУС из углей различной стадии метаморфизма разных месторождений от физико-химических и теплотехнических характеристик исходного угля, позволяющие учитывать их уже на стадии разработки технологических процессов их получения;
-
Выявлена природа стабилизации водоугольных топливных суспензий щелочными реагентами, заключающаяся в формировании дисперсионной среды гелей гуминовых кислот в водной фазе;
-
Разработана оригинальная модель обобщенной неньютоновской жидкости, которая позволяет более точно проводить гидравлические расчеты для трубопроводного транспорта ВУС;
-
Численными методами смоделированы режимы устойчивого горения ВУС в вихревых топках;
-
Разработаны и обоснованы технологические схемы приготовления ВУС для получения низкозольных топливных суспензий, ВУС с использованием вторичных ресурсов, ВУС из смеси углей разной степени метаморфизма с бимодальным составом твердой фазы.
-
Установлена возможность плазменного розжига и стабильного сжигания ВУС из бурых углей.
-
Показана и обоснована возможность получения транспортабельных ВУС на основе смесей углей разной степени метаморфизма в лабораторном, в опытно-промышленном и промышленном масштабах.
Практическая значимость результатов работы состоит в том, что новые теоретические и технологические решения получения и опытного сжигания ВУС из углей разной степени метаморфизма позволяют решить проблемы экологической безопасности и ресурсосбережения за счет расширения ассортимента источников сырья, снижения вредных выбросов в атмосферу, а также повысить точность и достоверность проектных расчетов теплотехнологического оборудования энергетических систем и комплексов, режимов его работы.
Результаты работы использовались на Ачинском глиноземном комбинате, ЗАО НПП «Сибэкотехника» (Новокузнецк) и ОАО «Компомаш» (Москва). Приготовлены и сожжены опытные партии ВУС в промышленной печи обжига цементного завода. Технология и оборудование топливоподготовки ВУС использовались в технологических процессах топливоподготовки отопительных котельных ООО «Красноярский жилищно-коммунальный комплекс» (2007) и ЗАО «Зеленый город» при утилизации особо опасных отходов. Технологический регламент для рабочего проекта промышленной установки получения и сжигания ВУС из бурых углей Монголии в котельной установке мощностью 0,5 Гкал/час передан заказчику. Механизм стабилизации ВУС, реологическая модель течения ВУС в трубопроводном транспорте, методы и технологические схемы получения ВУС приняты к использованию в научно-исследовательской и проектной практике в ЗАО НПП «Сибэкотехника» (Новокузнецк), ОАО «Компомаш» (Москва) и ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».
Основные результаты работы рекомендованы к внедрению Решением НПК «Достижения науки и техники - развитию города Красноярска» (1997), Решением Всероссийской НПК с международным участием «Достижения науки и техники -развитию сибирских регионов» (1999) и учтены при разработке Концепции энерго-
сберегающей политики в Красноярском крае (утверждена постановлением администрации Красноярского края от 18.10.99 № 664-п).
Научные результаты исследований использованы в учебном процессе (2006-2013) при разработке курсов лекций «Источники энергии теплотехнологий», «Технология сжигания и переработки топлива», «Физико-химические основы теплотехнологий» и создании учебного пособия «Источники и системы энергоснабжения» [2] в Политехническом институте СФУ для студентов направления 140100 - Теплоэнергетика.
Достоверность результатов работы обеспечивается использованием методов исследования, соответствующих современному состоянию в области химии твердого топлива, реологии, теоретической теплотехники и гидродинамики и подтверждается метрологическими характеристиками использованного оборудования, а также удовлетворительным совпадением расчетных данных с экспериментальными результатами, полученными на физических моделях и действующем промышленном оборудовании. Выводы коррелируют с результатами, полученными другими исследователями, и не противоречат физическим закономерностям в смежных областях знаний. Апробация работы и публикации. Основные положения работы, результаты теоретических, вычислительных и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на: Всероссийской НПК «Основные направления открытой угледобычи и переработки КАУ» (Красноярск, 1990), Всероссийской НПК «Стратегия социально-экономического развития города Красноярска до 2010 г.» (Красноярск, 2004), III Международной НПК студентов, аспирантов и молодых ученых (Пермь, 2005), VIII, IX и X Международных НПК «Химия - XXI век: Новые технологии, новые продукты» (Кемерово, 2005, 2006, 2009). VIII и IX Международной НПК: «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2006, 2010), Ежегодной Всероссийской НПК «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города» (Красноярск, 2006, 2007, 2008, 2010, 2011), Международной конференции «Техническая химия. От теории к практике» (Пермь, 2008), Всероссийской НПК «Лесной и химический комплексы - проблемы и решения» (Красноярск, 2008), VI Всероссийском семинаре ВУЗов по теплофизике и энергетике ВСВТЭ (Красноярск, 2009), II Всероссийской НПК с международным участием «Наноматериалы и нанотехнологии. Наноразмерные структуры в физике конденсированного состояния. Технологии наноразмерных структур» (Улан-Удэ, 2009), VII Всероссийской НТК «Горение твердого топлива» (Новосибирск, 2009), Всероссийской НПК «Инновационные технологии: производство, экономика, образование» (Бийск, 2009), I Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (Красноярск, 2010), Международной НПК «Эрчим хучний уйлдвэрлэл ба экологи» (Улаанбаатар, Монголия 2010), The 7th International Symposium on Coal Combustion (Harbin, China, 2011), VI Всероссийской конференции «Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине» (Новосибирск, 2011), Первой Международной НПК «Современные тенденции использования топлива, производимого из угля, в промышленности и энергетике» (Алушта, Украина, 2011), Сибирском энергетическом форуме (СЭФ-2011) (Красноярск), IV Международной НПК «Наноматериалы и технологии. Наноструктурированные системы в физике конденсированного состояния. Техника и технология наноматериалов» (Улан-удэ, 2012), IX Международной НПК «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири «Сибресурс 2012» (Кемерово, 2012), 17th International Coal Preparation Congress (Turkey, 2013). Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка цели и задач исследования, разработка, обоснование и формулировка всех положений, определяющих научную новизну и практическую значимость, постановка экспериментов, анализ и обобщение
результатов, формулировка выводов и рекомендаций для принятия решений. В совместных публикациях автору принадлежит основная часть результатов исследований. Автор выражает признательность научному консультанту, доктору технических наук, профессору В. А. Кулагину, совместные исследования с которым способствовали формированию изложенных в диссертации положений, а также выражает глубокую благодарность специалистам ЗАО НПП «Сибэкотехника» (Новокузнецк), Ачинского глиноземного комбината, предприятия «ТЕУС» (Красноярск) за помощь в работе на опытно-промышленном и действующем промышленном оборудовании.
По теме диссертации опубликовано 71 печатная работа, из них: одна монография, учебное пособие, 21 статья в периодических изданиях из перечня ВАК, 17 - в других изданиях и за рубежом, 30 - в трудах всесоюзных, всероссийских и международных научно-технических конференций, патент РФ на изобретение.
Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 255 страницах основного текста, включающего 62 рисунка и 89 таблиц. Работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 302 наименований и приложения.
Значение и взаимосвязь параметров ВУС
Очень большое количество работ посвящено технологиям получения ВУС [1]. Принято считать, что это последовательность несложных, хорошо изученных процессов в результате которых получается суспензионное водо-угольное топливо. Но технология получения топливных суспензий из бурых углей, несмотря на кажущуюся идентичность с получением ВУС из каменного угля, имеет свою собственную специфику из-за различных физико-химических характеристик углей, а именно:
1. Удельная теплота сгорания (УТС) каменных углей в 1,66 раза выше, чем УТС бурых углей. Следовательно, при равной концентрации ВУС по твердой фазе, УТС суспензии из бурого угля всегда будет ниже, чем УТС из угля каменного. При достаточно низком качестве бурого исходного угля, например, такого как уголь разреза «Назаровский», сжигание ВУС, полученной из него, становится вообще проблематичным.
2. Влажность каменного угля значительно ниже влажности бурого угля, поэтому содержание твердой фазы, текучих суспензий, приготовленных из каменного угля, всегда будет больше, чем у суспензий, приготовленных из рядового бурого угля. В связи с этим, УТС ВУС из каменных углей, всегда будет выше, чем УТС ВУС из бурых углей.
3. Плотность каменного угля выше плотности бурого угля. Следовательно, для обеспечения равной седиментационной устойчивости, ВУС, приготовленные из каменных углей, должны иметь более тонкий помол, чем ВУС, приготовленные из рядовых бурых углей. Фракционный состав ВУС, учитывающий их гранулометрию, тоже должен различаться. В связи с этим, изменяется и количество химических добавок вводимых в ВУС для улучшения их реологических и седиментационных свойств
4. Поверхностные свойства частиц из каменного и бурого угля тоже отличаются. Частицы каменного и бурого угля имеют разный заряд, поэтому для каждого конкретного вида угля необходимо подбирать свои, специфические, пластифицирующие и стабилизирующие добавки.
5. Различаются каменные и бурые угли и по коэффициенту размолоспо-собности. Это обстоятельство требует определения оптимального, для каждого типа угля, времени измельчения, даже в идентичных помольных устройствах. Удельный расход электроэнергии, необходимый для приготовления одной тонны ВУС, находится в прямой зависимости от необходимого времени измельчения угля. Различный коэффициент размолоспособности углей требует и различного подбора шаровой загрузки мельниц, как по весу, так и по фракционному составу шаров.
6. Прочность частиц каменного угля выше прочности частиц бурого угля, поэтому процесс их измельчения, при транспортировке по трубопроводу идет менее интенсивно. Для сохранения равной эксплуатационной надежности тру 9 бопровода, перекачивающего ВУС, ВУС из бурого угля должна иметь более тонкий помол, чтобы относительное изменение количества тонкой фракции при перекачке ВУС не оказалось для не критическим и не привело к закупорке трубопровода из-за повышения требуемого давления перекачки.
7. Химический состав и количество минеральной части у каменного и бурого угля также различен. Минеральная часть угля, вступая в реакцию с химическими добавками, вводимыми в ВУС в процессе е приготовления, неоднозначно влияет на е реологические и седиментационные свойства. Более того, при трубопроводном транспорте ВУС, минеральная часть угля способна отделяться от углеродной составляющей, создавать прочные отложения на стенках трубопровода. С одной стороны это явление положительно: снижается (даже вообще исключается) износ трубопроводов. Отрицательным моментом является то, что изменяется степень шероховатости стенок трубопровода, а, следовательно, чаще всего, увеличивается требуемое давление перекачки. Изменяется поперечное сечение трубопровода, естественно, в сторону его снижения, что также ведет к увеличению требуемого давления перекачки. В предельном случае накопление минеральных отложений в трубопроводе требует проведения операции его принудительной очистки. Вопрос, что лучше: обогащение угля перед приготовлением ВУС путем удаления его минеральной части, или периодическая чистка трубопроводов, чаще всего решается в пользу обогащения.
8. Отличаются каменные и бурые угли также и по содержанию летучих. С ними связана активность поведения суспензий при сжигании. Бурые угли имеют в своем составе до 44–48 % летучих. Суспензии из них сгорают быстрее и полнее, чем каменноугольные суспензии. При равной степени помола угля буроугольные суспензии дают гораздо меньший недожог, чем каменноугольные.
9. Наличие в бурых углях большого количества гуминовых соединений также требует применения к ним другого подхода, чем к каменноугольным суспензиям. Взаимодействие гуминовых кислот бурого угля с вводимыми для пластификации ВУС химическими добавками также требует особого подхода.
10. Последовательность проведения одинаковых технологических опера ций, выполненных в процессе приготовления ВУС из каменного или бурого ря дового угля, может давать различный конечный результат. Для каменного угля, с его высокой степенью метаморфизма и малой реакционной способностью, почти не имеет значения время его хранения после выемки из недр земли. Для бурого угля наоборот, недопустима предварительная выдержка в буртах хране ния, из-за его высокой реактивности. Окислившаяся поверхность бурого угля резко ухудшает реологические и седиментационные свойства, приготовленных из него, ВУС.
Приведенный, и, вероятно, не полный, перечень отличий каменного и бурого угля показывает неоднозначность и противоречивость технологических и потребительских требований при приготовлении буроугольных суспензий. Несмотря на меньшую теплоту сгорания буроугольных ВУС, по сравнению с каменноугольными, первые могут иметь и определенные преимущества: меньшие затраты на помол, более высокую скорость горения и др. Вс это говорит о том, 10 что в потребительской практике необходимо находить компромиссные решения, удовлетворяющие данным конкретным условиям. Это позволит получать ВУС с требуемыми для практиков характеристиками, при минимальных экономических затратах [1].
В современных условиях в мировой практике вопросу использования во-доугольного топлива придается особое значение. Работы по освоению и широкому внедрению технологии приготовления ВУС ведутся в Японии, Италии, США, Канаде и других странах. Так, например, в США с начала 90-х годов реализуется программа использования угля в энергетике с общим объемом финансирования в 100–150 млрд. долл. США, согласно которой около 20 % объема финансирования выделено на создание, транспортирование и использование водоугольного топлива. Возможности рынка для такого топлива только для Восточного побережья США оцениваются в 150 млн. т в год. [2–6]. Опыт приготовления ВУС в Китае совместным японо-китайским предприятием Japan COM Co. Ltd включает крупнотоннажное производство водоугольного топлива и его дальнейшую транспортировку морскими танкерами до электростанции компании Joban Joint Thermal Power в Накосо, Япония (энергоблок 600 Мвтэ, до 500 тыс.т в год) [2, 4]. Для решения проблемы внедрения водоугольного топлива в Китае создан Государственный центр водоугольных суспензий (ВУС) угольной промышленности. В 2001 г. на 8 заводах (производительностью до 600 тыс. т в год каждый) таких суспензий произведено более 2,0 млн. т; в ближайшие 20 лет планируется довести мощности по их производству до 100 млн. т в год. В России также выполняются работы по исследованию и внедрению водоугольных суспензий (ВУС), преимущественно на энергетических объектах небольшой мощности [4–7]. С начала 90-х годов такие работы проводились в рамках ФНТП «Топливо и энергия» (подпрограмма «Экологически чистая энергетика», направление «Энергетика и технология угольных суспензий»), а также по программам «Недра России» и «Трубопроводный транспорт угольной суспензии», межотраслевой программе «Альтернативные топлива» [8].
Характеристика обводненных угольных месторождений Дальнего Востока
Существует связь между геометрическим моделированием высококон центрированных водоугольных суспензий и их реологическими характеристи ками. Водоугольные суспензии представляют собой типичную дисперсную сис тему [14]. Важной характеристикой является удельная поверхность, изменение которой существенно зависит от формы частиц. В высококонцентрированных дисперсных системах, какой является водоугольная суспензия, содержание твердой фазы составляет 50–60% и более по объему. При таких значениях со держания твердой фазы частицы касаются друг друга в нескольких точках и могут занимать различные упаковки, которые могут быть охарактеризованы количественно. Известно большое количество моделей упаковок зернистых материалов, составленных, как правило, из шаров или других тел правильной геометрическое формы [15]. Эти модели можно разделить на два класса: детерминированные и вероятностные. К детерминированным моделям упаковок относятся модели Кепплера [15], Слихтера [16], Pумпфа [17], Зигеля [18]. С помощью этих моделей можно количественно оценить структуру зернистых материалов. В перечисленных выше случаях речь идет о системах шаров одинакового размера, которые касаются друг друга. В работе [19] было предложено рассмотреть систему шаров, раздвинутых на некоторое фиксированное расстояние. Эта модель позволяет оценить объем межзернового пространства в зависимости от расстояния между соседними шарами, а также их размера и относительной плотности в исходном состоянии. Модель Фурнаса [20] позволяет вычислить соотношение объемов двух и более фракций шаров разных размеров с целью получения минимальной пустотности смеси этих фракций. Интересны работы, в которых зернистая среда рассматривается как стохастическая. Так в [21] приведен алгоритм моделирования структуры с использованием метода Монте-Карло. При расчете размеры частиц считаются распределенными по какому-либо закону, а форма частиц обычно шаровидной или в виде тетраэдра.
Перечисленные выше модели могут быть использованы для количественного описания структуры угольного порошка и водоугольной суспензии с целью установления связи между структурой и реологическими свойствами системы, хотя, приведенные результаты не позволяют с достаточной точностью оценить реальность получения бимодального состава твердой фазы ВУС.
Реологическое поведение высококонцентрированных водоугольных суспензий. Транспортируемость ВУС и надежность их трубопроводного транспорта в значительной мере определяется физическими характеристиками этих систем - в первую очередь реологическими свойствами. Реология структурированных дисперсных систем как наука о деформации и течении этих систем в условиях механических воздействий позволяет создать физически обоснованную характеристику основных структурно-механических констант ВУС [22]. Реологические методы необходимы для изучения процессов структурообразования в дисперсных системах в зависимости от химического состава, температуры дисперсионной среды, количества и вида твердых компонентов и т.п., и для прогнозирования структурно-механических свойств дисперсных материалов в условиях воздействия факторов внешней среды.
Существенное значение в процессе седиментации, диффузии и движения коллоидных (дисперсных) частиц имеет вязкость дисперсионной среды. Вязкость структурированных систем может быть эффективной вязкостью, которая определяется величиной, вычисленной для данной скорости истечения по уравнениям Ньютона или Пуайзеля, и уже не является инвариантной характеристикой системы rjm rjP rj0, где цm - наименьшая вязкость предельно разрушенной структуры; о - наибольшая вязкость практически не разрушенной структуры.
Следует отметить, что все системы, способные течь, но не подчиняющиеся уравнению Ньютона, принято называть аномальными, или неньютоновскими. Вследствие этого, структурированные дисперсные системы не могут характеризоваться одним значением эффективной вязкости без указания скорости сдвига в отличие от ньютоновских вязких жидкостей, вязкость которых в ламинарной области постоянна и не зависит от скорости деформации. В результате детального изучения структурированных коллоидно-дисперсных систем в целом ряде работ [23, 24, 25] было показано, что при любой скорости течения в коагуляционной структуре протекают два противоположных процесса - разрушение и восстановление структуры. Итоговой характеристикой, описывающей равновесное расстояние между этими процессами в установившемся потоке, является все та же эффективная вязкость. Полная реологическая кривая несет наибольшую информацию для установления закономерностей образования, условий сохранения устойчивости и разрушения структур в концентрированных дисперсных системах. Полные реологические кривые течения структурированных дисперсных систем, характеризуемых перепадом вязкостей от наибольшей вязкости практически неразрушенной структуры до наименьшей вязкости предельно разрушенной структуры на несколько десятичных порядков, были получены Д. Л. Ребиндером [23]. Каждое значение вязкости, получаемое из соотношения P/є, по полной реологической кривой соответствует равновесному уров 15 ню разрушения структуры, который устанавливается в стационарном ламинарном потоке в узком зазоре между коаксиальными цилиндрами ротационного вискозиметра.
По классификации, предложенной П. А. Ребиндером, структурированные дисперсные системы делятся на два типа: жидкообразные и твердообразные. В основу такой классификации положена зависимость периода релаксации системы в функции от действующего напряжения сдвига. Для жидкообразных структурированных систем характерно плавное изменение вязкости в зависимости от напряжения сдвига. Течение этих систем происходит при сколь угодно малом напряжении сдвига с установлением стационарного потока постоянной вязкости, если время действия напряжений превышает период релаксации. В отличие от жидкообразных систем твердообразные структурированные системы характеризуются тем, что в узком диапазоне изменения напряжения сдвига, превышающего истинный предел текучести (предел упругости) Pk, вязкость структуры скачкообразно падает до минимального уровня.
Влияние химических реагентов на реологические характеристики ВУС из каменных углей
Реологическое уравнение для бингамовских пластиков можно записать в виде (модель Шведова - Бингама) T0=jupr; при тУт0, (2.4) где 0 - предел текучести или начальное напряжение сдвига, Па; Мр - пластическая вязкость или коэффициент жесткости при сдвиге, Па с.
На рис. 2.5 представлены реограммы течения образцов суспензий на основе бурых березовских углей марки Б2, которые показывают, что ВУС - вяз-копластичные системы, течение которых описывается законом Бингама.
Объяснение поведения бингамовских пластиков исходит из предположения о наличии у покоящейся жидкости пространственной структуры, достаточно жесткой, чтобы сопротивляться любому напряжению, не превосходящему по величине 0 . Если напряжение превышает т0 , то структура полностью разрушается и система ведет себя как обычная ньютоновская жидкость при напряжениях сдвига т "0 . Когда же напряжение сдвига становится меньше т0, структура снова восстанавливается. В области т - т0 возникает так называемая стержневая зона течения, в которой жидкость перемещается как твердое тело. Псевдопластичные жидкости не обнаруживают предела текучести, и кривая течения у них показывает, что отношение напряжения сдвига к скорости сдвига, т.е. эффективная (кажущаяся) вязкость Мр, постепенно понижается с
График зависимости между напряжением сдвига и его скоростью в логарифмических координатах у псевдопластичных материалов зачастую оказывается линейным. Тогда для описания жидкостей рассматриваемого типа можно установить функциональную эмпирическую зависимость в виде степенного закона. Такая зависимость, впервые предложенная Оствальдом и затем усовершенствованная Рейнером, может быть записана в виде
Дилатантные жидкости сходны с псевдопластиками тем, что в них также отсутствует предел текучести, однако их кажущаяся вязкость повышается с возрастанием скорости сдвига. Степенной закон и в данном случае оказывается пригодным, но показатель степени n уже будет превышать единицу.
У неньютоновских жидкостей второй группы напряжение сдвига определяется не только скоростью сдвига, но и временем воздействия. При этом если с течением времени при постоянной скорости сдвига напряжение сдвига уменьшается, то жидкость относится к тиксотропной, а если возрастает – то к реопектической. После снятия возмущения структура жидкости постепенно восстанавливается. Причем, если в начале скорость сдвига возрастает, а затем 55 убывает, то возникает явление гистерезиса. Тиксотропия наблюдается как у жидкостей псевдопластического, так и пластического типов.
Вязкоупругие жидкости третьей группы в той или иной степени проявляют как свойства твердого тела (упругое восстановление формы), так и жидкости (вязкое течение).
Методы измерения реологических параметров. Известно два основных метода получения реологических характеристик указанных выше типов жидкостей, а именно:
1) непосредственное установление связи напряжения сдвига со скоростью сдвига путем приложения к образцу однородного сдвига в специально сконструированном приборе и измерения соответствующего напряжения сдвига. Вискозиметры, использующие этот принцип, представляют собой обычно ротационные устройства в виде соосных цилиндров или конуса и пластины;
2) установление зависимости между напряжением и скоростью сдвига косвенным способом - по измерениям перепада давления и расходу жидкости в прямолинейном канале или в вискозиметрах с капиллярной трубкой. В таких проборах скорость сдвига непостоянна поперек канала, а изменяется от нуля на оси трубы до максимума на стенке. Следовательно, результаты измерений и их истолкование не столь очевидны и достоверны.
Для определения реологических свойств на ротационных вискозиметрах проводят замеры в указанной последовательности: устанавливают диапазон скоростей деформации, перекрывающий рабочий диапазон, причем шаг замеров может быть неравномерным - более плотным в области преимущественного использования ВУС; измеряют напряжения сдвига на всем диапазоне фиксированных настроек скоростей по методике, указанной в паспорте прибора.
Затем, используя численный метод аппроксимации через минимизацию -метод наименьших квадратов, рассчитывают реологические параметры [8].
Принцип работы вискозиметра. Ротационные вискозиметры используются для определения вязкости ньютоновских жидкостей и проведения реологических исследований неньютоновских систем. Измерения проводили по методу коаксиальных цилиндров (возможно также проведение исследований методом конус-плоскость). Вискозиметр (рис. 2.6) состоит из основного блока 1, включающего измерительное устройство с механико-электрическим преобразователем 2 и коробку передач 3 с двигателем, и блока измерений 4. Система коаксиальных цилиндров включает внутренний вращающийся измерительный цилиндр 5 и измерительную цилиндрическую емкость (неподвижный внешний цилиндр) 6 со съемной мерной чашечкой 7; на измерительную емкость может надеваться термостатирующее устройство (на рисунке не изображено). Переключатель 8 позволяет в 10 раз менять чувствительность системы измерения усилия вращения внутреннего цилиндра. Рукоятка 9 обеспечивает переключение 12-ступенчатой коробки передач; номер включенной передачи фиксируется в отверстии 10. Переключатель 11 изменяет скорость вращения двигателя . Блок измерения 4 фиксирует усилие вращения (индикатор 12) и реальную частоту сети п (индикатор 13). При точной работе приведенные в таблице зна 55 чения и умножаются на коэффициент n/50, в котором реальная частота сети определяется по резонирующей (размазавшейся) метке индикатора 13. На внешней панели блока измерений находятся также выключатели двигателя 14 и измерительного устройства 15.
Сжигание водоугольных суспензионных топлив из разнометаморфизованных углей
Установлено, что изученные добавки повышают текучесть ВУС, полученных из бурого угля. Практически все полученные ВУС с использованием добавок обладали статической стабильностью 30 суток и больше. Введение добавки С–3 в ВУС на стадии гомогенизации снизило значение структурной вязкости с 1,9 до 0,4 Пас, а ее применение на стадии мокрого помола привело к меньшему сокращению структурной вязкости до 0,702 Пас. При использования добавок ЛСМ–364, ЛСМ–363 наблюдали ту же закономерность: добавки более эффективны, если они вводятся после стадии мокрого помола. По всей видимости, в процессе механохимической деструкции происходит разрушение полимерной структуры добавки и ее эффективность снижается.
Применение щелочи в качестве добавки показало устойчивое снижение структурной вязкости как на стадии гомогенизации с 1,9 до 0,8 Пас, так и на стадии помола до 0,8 Пас. В отличие от полимерных добавок, добавки щелочи были несколько более эффективны при их введении на стадии помола. Кроме того, введение щелочи на стадии мокрого помола угля приводит к интенсификации процессов механохимической деструкции по связям С–О–, С–С– и С–Н и разрушению исходной структуры органических веществ угля.
Был исследован также ряд технических лигносульфонатов марок КБП, Лифрин-П, Лигрин, Липор Пермского филиала ВНИИБ ВНПОбумпром. Анализ полученных данных показал, что эффективность применяемых добавок зависит в основном от зольности исходного угля (рис. 4.9).
Установлено, что с увеличением зольности исходного угля снижалось разжижающее действие добавки, что приводило к необходимости увеличения количества пластификатора или применения комплексного состава добавки. Но положительным моментом, в этом случае, было то, что, в отличие от гидрокси-да натрия, при использовании лигносульфоната отсутствует реверсия изменения структурной вязкости. Это обстоятельство представляется чрезвычайно важным, так как введение КБП в промышленных условиях превышающего оптимальные дозировки (1%) не вызовет ухудшения текучести суспензий. В случае же использования NаОН требуется жесткая регламентация его концентрации (0,2–0,5%). Эта концентрация для щелочи является критической, так как с превышением указанной концентрации происходит повышение структурной вязкости ВУС, образование и выпадение плотного осадка. Отмеченные свойства указывают на возможность оптимизации параметров суспензий в промышленных условиях совместным изменением количества добавки и регулированием зольности угля [259].
Снижение эффективности действия добавок с повышением зольности угля можно объяснить наличием в минеральной части угля катионов металлов (кальция, магния и др.), что делает поверхность частиц сорбционно активной к этим добавкам. Закрепление добавок на минеральных частицах приводит к сокращение доли реагента, адсорбированного на угольных частицах, что снижает эффективность их действия.
Так, эффективное разжижение водоугольной системы в зависимости от содержания гуминовых кислот достигалось при расходе реагента 1–1,5% и зольности до 6% и 1,5–2% при зольности выше этого значение. Структурная вязкость суспензий при этих концентрациях добавки снижалась в 1,4–2,5 раза. При применении КБП в ВУС выше 2% наблюдалось незначительное увеличение разжижающего эффекта. Снижение вязкости ВУС в присутствии лигно-сульфонатов обусловлено лиофилизацией частиц дисперсной фазы. Лигно-сульфонаты адсорбировались на поверхности частиц угля, что сопровождалось образованием гидрофильной пленки, иммобилизирующей поверхностный сдой воды, связанный с этой поверхностью молекулярными силами сцепления.
Установление корреляционных зависимостей реологических характеристик суспензий от состава угля и построение математических моделей Известно, что реологические свойства суспензий существенно зависят от физикo-химических характеристик используемого угля, а состав угля может значительно изменяться в зависимости от глубины его залегания, условий хранения и т.д. [209, 212, 260–263] В тоже время, для подачи на сжигание и бесперебойного и эффективного транспортирования угля по трубопроводам необходимо выполнить требования регламентации реологических показателей ВУС. Это обстоятельство создает необходимость постоянной и оперативной корректировки содержания твердой фазы в ВУС в зависимости от характеристик поступающего угля. Для этой цели требуются знания по влиянию как отдельных характеристик угля, так и их совокупного действия на степень изменения реологических показателей ВУС. Учитывая широкий спектр изменяющихся и влияющих на реологию ВУС характеристик угля, был выбран метод корреляционно-регрессионного анализа, который позволяет устанавливать зависимость между различными показателями в виде регрессионных уравнений. При наличии устойчивых корреляционных связей комплекс контрольных показателей угля может быть сокращен,
Для реализации поставленной задачи потребовалось проведение большого количества анализов по химическому составу угля, взятого из различных точек и по глубине пласта, а также установление парной графической корреляции по влиянию отдельных параметров угля на реологические характеристики ВУС. Экспериментальные исследования по установлению зависимости технологических параметров ВУС от физико-химического состава исходного угля проводили с рядовыми бурыми углями Березовского месторождения Канско-Ачинского угольного бассейна.
Пробы отбирали на Западном и Восточном блоках Западного участка разреза «Березовский-1». На Западном блоке участка пробы были отобраны с 3 разных по высоте добычных уступов и на полную мощность пласта (пластовые пробы). На восточном блоке – только на полную мощность пласта. Из керна скважины отобраны пробы угля с разной глубины залегания, включая верхний слой окисленного угля. Подготовка угля для лабораторных испытаний и угле-химических анализов проводилась в соответствии с требованиями ГОСТ 10742–71. Обеспечивалась постоянная влажность проб.
