автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.07, диссертация на тему:Физико-химические основы интенсификации технологии приготовления водоугольных суспензий из углей Кузбасса

МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ

на правах рукописи

КОРОЧКИН ГЕННАДИЙ КА1ШТОНОВИЧ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕХНОЛОГИИ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ ИЗ УГЛЕЙ КУЗБАССА

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, ст.н.сотр.

Горлов Е.Г.

Москва - 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. Глава I.

Литературный обзор. Основные направления приготовления, транспорт и использование высококонцентрированных водоугольных суспензий (ВВУС).

1.1. Основные методы получения ВВУС

1.2. Транспорт и использование ВВУС

1.3. Вопросы регулирования физико-химических свойств ВВУС

1.4. Особенности сжигания ВВУС

1.5 Задачи и выбор объектов исследований Глава П.

Приготовление высококонцентрированных водоугольных суспензий. Экспериментальная часть.

Характеристика дисперсной фазы с. Подготовка углей для приготовления ВВУС

2.3. Приготовление ВВУС в мешалке

2.4. Измельчение углей и ВВУС: 2.4Л.в дисковой и шаровой мельницах

2.4.2.в диспергаторе и РПА

2.4.3.в аппарате ЛИВ

2.4.4.в УДА

2.5. Вязкостные характеристики ВВУС Определение стабильности ВВУС Определение замерзаемости и оттаивания ВВУС ИК-спектроскопия и рентгенографические исследования

стр.

К — О

О о

9-40

2.1.

2. Р

2.6.

2.7.

9 11

23

32 38

41 41

46

47 4?

48

49

49

50

51

52 52

10

23

- 40

41 - 52

47

41

46 :7

50

47

48

49

50

51

52 52 52

79

84

Глава III.

Расширение сырьевой базы для приготовления ВВУС 53 - 92

применительно к углепроводу Велово-Новоеибирск

3.1. Изучение пригодности углей марок Г и Д 54-59 Моховского и Колмогоровекого разрезов для производства ВВУС

3.2. Исследование влияния гранулометрического 59 состава на структурно-реологические свойства ВВУС

3.3. Изучение влияния количества минеральной 79 части углей на структурно-реологические свойства ВВУС

Влияние пластификаторов на структурно- 84 - 91

реологические свойства ВВУС

Влияние динамики замерзания на структурно- 91 - 92 реологические свойства ВВУС Глава IV.

Интенсификация технологии приготовления водоугольных 93 - 122 топлив для углепровода Белово-Новосибирск.

4.1. Измельчение углей и ВВУС в шаровой и 94 - 104 дисковой мельницах и измельчителе

4.2. Механо-химическое измельчение углей и ВВУС 104 - 122 в диспергаторе, роторно-пуль сационном

аппарате, аппарате линейно-индукционного вращения и дезинтеграторе Глава Ч.

Усовершенствование промышленной технологической схемы 123 - 142 приготовления ВВУС.

5.1. Разработка комбинированных методов приготов- 123 - 135

3.4.

3.5.

ления ВВУС применительно к углепроводу 5.2. Отработка технологических схем приготов- 135 - 142 ления ВВУС на углепроводе Белово-Новоеибирек Г л а в а VI

Экологические воздействия на окружающую среду при 143 - 158 эксплуатации углепровода Велово-Новосибирск

Выводы. 159 - 160

Список литературы. 161 - 175

Приложения.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Развитие промышленности любого региона во многом определяется наличием энергетических ресурсов. Однако уже сегодня возникают серьезные проблемы в снабжении промышленных объектов жидким и газообразным топливом.

Разработка технологий ожижения углей весьма актуальна для реализации в регионах, обладающих большими запасами углей, но реализовать эти процессы в промышленности в настоящее время весьма сложно в основном по экономическим соображениям. Это стимулировало возобновление интереса к многокомпонентным транспортабельным топ-ливам на основе углей, в том числе с регулируемым комплексом свойств, которое могло бы также обеспечить выполнение экологических требований по токсичным выбросам в окружающую среду при сжигании твердых топлив, особенно низкосортных и высокосернистых.

Подтверждением вышесказанного явилось сооружение опытно-промышленного углепровода протяженностью 282 км от ш.Инская в Кузбассе до Новосибирской ТЭЦ-5. По этому трубопроводу может транспортироваться более 3 млн.т каменного угля угля в год в виде высококонцентрированной водоугольной суспензии (ВВУС) для прямого сжигания в котлоагрегатах без предварительного обезвоживания.Технология предусматривает приготовление и транспортирование по трубопроводам ВВУС с содержанием каменного угля около 60 мас.%. К недостаткам данной технологии приготовления ВВУС относятся многоетадийность подготовки сырья, обуславливающая значительные энергозатраты, а также использование дорогостоящего пластификатора, например, продукта поликонденсации нафталинсульфокислот с формальдегидом (0-3 или НФУ).

Поэтому технологию приготовления ВВУС следует интенсифицировать, сократив время на подготовку сырья и снизив энергетические

затраты на приготовление суспензии, что позволит упростить процесс приготовления этого вида топлива.

Работа выполнена в рамках Федеральной научно-технической программы Министерства науки и технологий РФ "Экологически чистая энергетика".

Цель работы, Усовершенстование технологии приготовления ВВУС за счет использования приемов физико-химического воздействия на исходный уголь и ВВУС} применение в качестве пластификаторов продуктов переработки бурых углей - гуматов натрия и углещелочных реагентов (УЩР), научное обоснование расширения сырьевой базы и получение ВВУС для углепровода Белово-Новосибирск.

Автор защищает:

- способ приготовления ВВУС, позволяющий интенсифицировать традиционную технологию;

- технологические параметры приготовления ВВУС из каменных углей на примере углей ш.Мнская, Моховского и Колмогоровского разрезов, позволяющие регулировать свойства получаемых суспензий;

- обнаруженные закономерности влияния минеральной части углей на структурно-реологические свойства ВВУС;

- использование продуктов переработки бурых углей (гуматов натрия и УЩР) как пластификаторов для повышения стабильности и текучести ВВУС;

- технологические схемы приготовления ВВУС применительно к углепроводу Белово-Новосибирск.

Научная новизна:

- впервые, с позиций физико-химической механики дисперсных систем, показано, что структурно-реологические свойства ВВУС можно

- ? -

регулировать в результате направленного физического и физико-химического воздействия на каменные угли марок Д и Г Кузбасса., а также на полученные на их основе суспензии,

- выявлены закономерности изменения структурно-реологических свойств ВВУС из каменных углей при введении пластификаторов на основе гуминовых кислот, а также при использовании приемов механоак-тивации;

- выявлены закономерности влияния минеральной части углей на структурно-реологические свойства ВВУС,

Практическая ценность. Усовершенствована технология приготовления ВВУС на базе углей различной зольности Кузнецкого бассейна для углепровода Белово-Новосибирск с использованием в качестве пластификаторов продуктов химической переработки углей - углеще-лочных реагентов и гуматов натрия. Расширена сырьевая база углепровода Белово-Новосибирск за счет вовлечения в переработку углей Моховского и Колмогоровского разрезов. Проведена оценка кинетики замерзания и оттаивания ВВУС и предложены приемы для регулирования процесса. Разработаны методы регулирования качества ВВУС с использованием приемов механоактивации в диспергаторе, роторно-пульсаци-онном аппарате, аппарате линейно-индукционного вращения (ЛИВ) и в дезинтеграторе. Определены оптимальные параметры гранулометрического состава для приготовленных ВВУС на базе углей ш.Инской, Моховского и Колмогоровского разрезов. Разработаны новые схемы получения ВВУС, которые позволяют значительно снизить энергозатраты при использовании имеющегося оборудования углепровода.

Апробация работы. Отдельные разделы диссертационной работы были доложены: Proceedings of the sixteenth International conference on Coal and Slurry technologies. Clearwater, FL, USA, 22-25 April

формирования региональной экономики" Кемерово, 1995; Proceeding's of International Symposium on Clean Coal Technology. 1997, Xiamen, P.R.China; Научной сессии Научного совета по химии и технологии твердого ископаемого топлива РАН "Твердые горючие ископаемые в решении экологических и экономических проблем топливно-энергетического комплекса России" г.Звенигород, 11-13.02.98г.; CUSTNET 3rd International Conference On Coal Utilisation Science and Technology. 1998, Buharest, May 6-7, Romania; 8th Australian Coal Science Conference, Sudney, Australia, 7-9 December, 1998.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 работ.

Объем работы. Диссертационная работа, состоящая из введения, шести глав, выводов и приложений изложена на 175 страницах машинописного текста, включая 17 рисунков, 58 таблиц и списка использованных источников из 119 наименований.

_ д _

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ„ ТРАНСПОРТА И ИСПОЛЬЗОВАНИЙ ВЬЮОКОКОКДЕКТРИРОВАКНЫХ ВОДОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ (ВВУС)

(Отечественный и зарубежный опыт)

Целью указанного основного направления является создание основ энергетики и технологии угольных суспензий, обеспечивающих экологическую чистоту процессов добычи твердого топлива, приготовления, транспортирования, преобразования энергии и получения конечных продуктов технологических производств, а также существенное повышение научно-технического уровня процессов, использующих угольные суспензии /1-10/.

1.1. Основные методы получения ВВУС

Угольные суспензии представляют собой высококонцентрированную дисперсную систему, состоящую из частиц угля, размером менее 0,3 мм, и жидкой дисперсионной среды /11-15/.

Дисперсионной средой угольных суспензий могут быть вода, спирты и тяжелые продукты переработки нефти. Наиболее перспективными для применения являются водоугольные, спиртоугольные и водоспирто-угольные суспензии /16-20/.

В зависимости от назначения водо- и спиртоугольных суспензий концентрация в них дисперсной фазы (частиц угля) может изменяться от 45 до 75 мае. % при сохранении ими свойств, присущих жидкостям.

Для производства ВВУС традиционно на первой ступени уголь измельчают на шаровой мельнице мокрым способом. Полученную суспензию фильтруют, во влажную лепешку вносят активные добавки, воду до нужной концентрации и диспергируют с получением готовой суспензии.

Промышленные процессы производства ВВУС могут существенно отличаться от такой простой схемы производства топлива и это зависит

ОТ целого ряда факторов, таких как сырье,способ его обогащения, тип добавок, технологии измельчения и гомогенизации, состав ВВУС и т.д. /21-28/.

Готовая суспензия хранится в резервуарах, подобно жидкому топливу, а ее транспорт возможен как в цистернах или других емкостях, так и по трубопроводам /13,19,20,29-33/.

В связи с тем, что угольная суспензия является композиционным продуктом, его конечный состав и свойства могут регулироваться с позиций физико-химической механики дисперсных систем /34-36/.

В процессе производства из дисперсной фазы могут быть удалены минеральные компоненты, отрицательно влияющие на свойства и показатели ВВУС в т.ч. серосодержащие соединения /27/.

В суспензию могут быть введены пластификаторы (разжижители и стабилизаторы), ингибиторы коррозии и т.п /22,37-49/. Определяющим фактором при этом является цена угольной суспензии и естественно, чем выше требования к суспензии, тем она дороже.

Угли могут также использоваться, пройдя предварительно стадию газификации, как сырье для получения спиртов, применяемых в качестве дисперсионной среды. Спирты для этих целей можно получать кроме того из попутного газа, газа подземной газификации угля или природного газа /17,18/.

Исследовательские и опытно-промышленные работы, связанные с созданием, транспортированием и использованием водоугольных и спиртоугольных суспензий уже давно велись как в России, так и во многих зарубежных странах, так и теперь в России /1,50-58/.

Анализ имеющихся материалов по проблемам угольных суспензий показывает, что этими работами создана хорошая научно-техническая база для развития нового направления в энергетике и промышленности.

1.2. Транспорт и использование ВВУС

В СССР первые работы в области гидротранспорта кускового угля относились еще к 40-м годам нашего столетия, а работы по созданию угольных суспензий были начаты впервые в мире уже в 50-е годы, в связи с необходимостью решения проблемы использования угольных шламов - обводненных мелких классов углей /59-61/.

В США исследовательские работы по созданию способов использования выеокообводненного топлива для энергетических целей были начаты в середине 50-х годов, а уже в 1957 г. был введен в действие первый в мире магистральный углепровод протяженностью 173 им для гидравлического транспорта 1250 тыс.тонн угля в год из Кадиза на электростанцию "Ист-Лейк" /29/.

Высококонцентрированные водоугольные суспензии для их энергетического использования на тепловых электростанциях и крупных котельных впервые были созданы в СССР в начале 60-х годов /62/.

В период с 1959 по 1973 годы в СССР было создано 5 опытно-промышленных установок, включающих системы непрерывного приготовления водоугольных суспензий, их гидротранспорта и сжигания в паровых котлах паропроизводительностью от 6,5 до 170 т/ч, на которых в промышленных условиях были отработаны технологии приготовления водоугольных суспензий из каменных углей и отходов углеобогащения коксующихся углей основных угольных бассейнов страны. Только на опытно-промышленных установках шахты Лутугинская-Северная в Донбассе и Анжерской ЦЭС в Кузбассе было приготовлено и сожжено свыше 20 тыс.тонн водоугольной суспензии. В этот же период был проведен большой цикл исследований и экспериментов по приготовлению и использованию водоугольных суспензий из бурых углей /53,63/.

В ФРГ начало исследовательских и опытно-промышленных работ по созданию нового вида топлива - угольных суспензий относится к

1962-1963 годам, когда Отдел использования угля Общества каменноугольной промышленности приступил к проведению цикла работ по приготовлению, хранению, гидротранспорту и сжиганию водоугольных суспензий /64/.

Были созданы опытно-промышленные установки, на которых получена стабильная водоугольная суспензия с содержанием угля 60 мас.% без применения химических пластификаторов и успешно проведено опытное сжигание этого топлива в промышленном котле паропроизводи-тельноетыо 6 т/ч и энергетическом котле тепловой электростанции "Келлерман" (г.Люлен) паропроизводительностью 100 т/ч. При этом была показана высокая эффективность и большие возможности использования этого нового вида топлива /65/.

Исследовательские и опытно-промышленные работы в этот период проводились и в других странах. В Японии был разработан проект топливно-энергетического комплекса с гидрошахтами на о„Хоккайдо, гидротранспортом суспензии по трубопроводу протяженностью 140 км от шахт до порта Тамакомай и морским транспортом на о.Хонсю.

В Англии был построен углепровод длиной 2,2 км от угольной шахты "Уолтон" до электростанции "Вейкфилд". В ПНР и Австралии было создано несколько установок для гидротранспорта угля и одна опытно-промышленная установка по прямому сжиганию водоугольной суспензии с котлом паропроизводительностью 50 т/ч /66,67/.

Следующий этап развития работ за рубежом в области угольных суспензий приурочен к периоду "энергетического кризиса". С 1973 года работы по существу были начаты заново, новыми коллективами, без учета опыта прошлых лет. Максимальное привлечение фирм, корпораций, университетов и промышленных предприятий к работам в области производства водоугольных суспензий относится к 1979-1984 годам, когда вопросами приготовления, хранения, транспорта и сжигания водоугольных суспензий занималось 128 организаций в мире, в

том числе - США (5?)., Швеции (9), Великобритании (12), ФРГ (6), Китая (13), Японии (14), Канады (8), Италии (4) и других стран, из них - исследовательских организаций - 42, фирм и компаний - 86. В этот период были созданы такие международные корпорации, как "Кар-богель" и "Флюидкарбон" /68,89/.

В результате за рубежом созданы и проверены в промышленных условиях такие технологии производства низкозольной водоугольной суспензии, как технологии "КОАЛ", "Денсекол", "Реокарб", "Карбо-гель", "Флюидкарбон". Все технологии направлены на получение высококонцентрированной (65-75 мас.% дисперсной фазы при зольности угля 2-5 мас.%)

угольной суспензии. Технологиями предусматривается приготовление этого топлива или в районе его потребления, или с железнодорожной (речной, морской) его поставкой /68,69/.

В 1983 г. работы по приготовлению, транспортированию и использованию водоугольных суспензий в СССР были возобновлены в связи с проектированием энергетического комплекса Велово (Кузбасс) - магистральный углепровод протяженностью 262 км - Новосибирская ТЭЦ-5, предусматривающего сжигание водоугольной суспензии без предварительного обезвоживания /19,20,70/.

Всего в мире, включая РФ, известно около 20 технологий производства водоугольной суспензии. Из зарубежных установок наибольшую мощность (производительность 250 тыс.т в год)