автореферат диссертации по энергетике, 05.14.01, диссертация на тему:Технологии получения и использования топливных водоугольных суспензий из углей различной степени метаморфизма

На правах рукописи

, /У

БАРАНОВА Марина Петровна

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНЫХ ВОДОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ ИЗ УГЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ

МЕТАМОРФИЗМА

05.14.01 — энергетические системы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

'I и ■-пи

1 • • . J / . I -г

Москва - 2014

005546834

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» на кафедре Теплотехники и гидрогазодинамики и ЗАО НПП «Сибэкотехника»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Кулагин Владимир Алексеевич

Конахина Ирина Александровна, доктор техни-Официальные оппоненты: ческих наук, профессор; ФГАОУ ВПО «Казанский

(Приволжский) федеральный университет»/ Заместитель директора Комплексного центра обучения в сфере энергоэффективности.

Григорьев Константин Анатольевич, доктор технических наук, профессор; ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский университет «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» / заведующий кафедрой Реакторо- и парогенераторостроения.

Мунц Владимир Александрович, доктор технических наук, профессор;

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина», г. Екатеринбург / заведующий кафедрой Промышленной теплоэнергетики.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский

Томский политехнический университет»

Защита диссертации состоится 24 апреля 2014 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.157.14 при ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Малый актовый зал.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу : 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО НИУ «МЭИ»

Автореферат разослан 21 марта 2014

Ученый секретарь /

диссертационного совета Д 212.157.14 /Н^

кандидат технических наук, доцент / М"" / В.П. Зверьков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации обусловлена проблемой модернизации производственных процессов в плане энергоэффективности, экологической и производственной безопасности как стратегического направления на современном этапе ра з-вития 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 водоугольных 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, А. Ф. Рыжкова 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 во з-можности 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 ту.т. (в 1,3-5 раз); возможность утилизации отходов угледобычи 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 технолог ии», 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 Р Ф» (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 сво й-ства» (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 раз витии теоретических основ и технологических решений получения, транспорта и сжигания водоугольных суспе н-зий из углей различной степени метаморфизма и отходов их обогащения.

Для достижения этой цели решены следующие задачи:

1. Установить зависимости технологических параметров ВУС от физико-химических и теплотехнических характеристик используемого угля;

2. Изучить возможность получения суспензий , удовлетворяющих оптимал ь-ным требованиям по зольности, содержанию твердой фазы, реологическим характеристикам и стабильности;

3. Сформулировать феноменологическую модель формирования суспензий из углей разной степени метаморфизма с учетом их структурно-реологических особенностей;

4. 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;

5. 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. Экс-

периментальные 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:

1. Корреляционными методами у становлены 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;

2. Выявлена природа стабилизации водоугольных топливных суспензий щелочными реагентами, заключающаяся в формировании дисперсионной среды гелей гуминовых кислот в водной фазе;

3. Разработана оригинальная модель обобщенной неньютоновской жидкости, которая позволяет более точно проводить гидравлические расчеты для трубопроводного транспорта ВУС;

4. Численными методами смоделированы режимы устойчивого горения ВУС в вихревых топках;

5. 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.

6. Установлена возможность плазменного розжига и стабильного сжигания ВУС из бурых углей.

7. 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 теплотехноло-гии» 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 уд о-влетворительным 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 2010г.» (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 мат ериалами в перспективных технологиях и медицине» (Новосибирск,

2011), Первой Международной НПК «Современные тенденции использования топлива, производимого из угля, в про мышленности 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы , цель и задачи исследования . Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первом разделе проведен обзор и анализ отечественных и зарубежных промышленных технологий подготовки и сжигания водоугольного топлива. Обобщены результаты работ и классифицированы процессы получения и использования вод о-угольных суспензий в нашей стране и за рубежом. Рассмотрены свойства углей, способы их предварительной подготовки, методы транспорта и ис пользования ВУС в энергетике и промышленности, методы повышения качества ВУС.

Развитие исследовательских и внедренческих работ в области суспензионного топлива ведется как в России, так и в индустриально развитых странах мира (Австрии, Германии, Италии, Китае, США, Швеции, Японии), которые имеют энергоносители или средства для их приобретения и, тем не менее, внедряют новые ресурсосберегающие технологии (Brandis U., Chen L., Hayashi К., Liu J., Usui H. и др.). Эффективность энергоустановок повышается как за счет снижения недожога, так и вследствие уменьшения загрязнения поверхностей нагрева в котлоагрегатах.

Снижение недожога обусловлено тем, что такие компоненты суспензии, как вода (или другие полярные жидкости), в зоне горения в виде перегретого пара способствуют более тонкому распылению углеводородной основы за счет микровзрывов суспензионных капель. Влага топлива, проходя сквозь зону горения, активно участвует в реакции с углеродом, а образующиеся продукты реакции в присутствии водяного пара полностью догорают вокруг поверхности образовавшегося агломерата капли. Однако в настоящее время практически отсутствуют теоретические методы и научно-обоснованные технологические решения, позволяющие пр огнозировать теплотехнические характеристики ВУС, находить оптимальные режимы их получения. Для каждого типа угля требуется индивидуальный подход при производстве ВУС, который подбирается экспериментально: режим помола, гранулометрический состав угля , разжижающие и стабилизирующие добавки, режим гомогенизации и другие. Несмотря на то, что любая из вышеупомянутых операций, рассмотренная в отдельности, является традиционной и хорошо известной специалистам , последовательность этих

операций, их длительность и п рочие факторы существенно влияют как на свойства ВУС, так и на экономичность и эффективность технологии в целом.

Для сибирского и дальневосточного регионов важнейшим энергоносителем, отличающимся относительной дешевизной и доступностью, являются бурые угли (в том числе канско-ачинские). Поэтому создание и усовершенствование технологий производства ВУС из таких видов топлив представляется весьма актуальным и экономически перспективным. Немаловажной компонентой сырьевой базы ВУС, подчеркивающей ресурсосберег ающий и экоэффективный характер разрабатываемой технологии, являются отходы углепереработки и угледобычи, целлюлезобумажной промышленности и других производств.

Результаты анализа литературных источников подтверждают актуальность работы, целесообразность постановки решаемых в диссертации проблем и их поэтапного решения теоретическими и экспериментальными методами.

Результаты диссертационного исследования рассматриваются и обсуждаются на базе одной из важнейших составляющих энергетических систем и комплексов -технологической системы получения, хранения и транспортирования нетрадицио н-ных топлив в виде водоугольных суспензий и примеров возможных вариантов его сжигания в топках малого объема и на тепловых электрических станциях.

Второй раздел посвящен описанию теплотехнических характеристик углей, использованных в работе, методики экспериментальных исследований, оборудования и методов определения характеристик ВУС.

Для получения ВУС использовали широкий спектр углей Березовского, Бородинского месторо ждений Канско-Ачинского угольного бассейна, Ерковецкого, Па в-ловского, Огоджинского месторождений Дальнего Востока, Кузнецкого и Листвян-ского месторождений Кузбасса, Багануурского и Шивээ-Овооского буроугольных месторождений Монголии. Анализ проб углей, проведенный в КАТЭКНИИуголь и СибВТИ, показал, что они являются репрезентативными и все полученные результаты экспериментальных исследований, проведенные с этими пробами, могут быть отнесены к месторождению в целом.

В лабораторном масштабе ВУС получали в режиме одностадийного мокрого помола угля в вибромельнице производительностью 2 кг/ч. Использовался также вибростенд СВУ-2 и шаровая мельница МБЛ-100. Затем ВУС анализировали на массовую долю твердой фазы, гранулометрический состав, вязкость и стабильность. Массовую долю твердой фазы определяли высушиванием при 105 °С (ГОСТ 11014-84). Размер частиц определяли влажным фракционированием на ситах (ГОСТ 2093-82). Реологические характеристики измеряли при 25 °С на ротационном вискозиметре «11ЕОТЕ5Т-2» при скорости сдвига 0,3-145,8 с 1 со стандартной измерительной с и-стемой цилиндров «Н». Коэффициент консистентности суспензии к и индекс потока и для степенного реологического уравнения, а также начальное напряжение сдвига т0 и структурную вязкость р. 0 для линейного уравнения Бингама определяли, используя численный метод аппроксимации. Затем, сравнивая квадратичные отклонения значений напряжения сдвига, полученных в ходе экспериментов, от расчетных величин, находили параметры для расчёта реологических коэффициентов.

Опытно-промышленные испытания проводились на базе имеющегося размольного оборудования в экспериментальном цехе А чинского глиноземного комбината (АГК), где была смонтирована технологическая линия по производству ВУС, обеспечивающая производительность по суспензии от 4 до 21 т/ч. Исследования процессов воспламенения и стабильного горения опытных партий ВУС из монгольских углей

проводили на демонстрационной стендовой опытно -промышленной установке ЗАО НПП «Сибэкотехника».

Получение и сжигание ВУС в масштабах крупнотоннажного производства осуществлялось на промышленном оборудовании цементного завода АГК производительностью 160-250 т/ч.

В третьем разделе рассматриваются технологические и теоретические аспекты получения топливных водоугольных суспензий на базе разнометаморфизованных каменных углей месторождений Кузбасса. Перспективным направлением является получение низкозольных ВУС с минимальным размером частиц твердой фазы. По этой причине был разработан способ деминерализации каменных кузнецких углей, содержащих минеральные компоненты в виде легко размокаемых пород.

Установлено, что в процессе мокрого помола каменных углей с легко размока-емой породой, образующиеся тонкие классы (0-10 и 0-50 мкм) отличаются повышенным содержанием зольной составляющей. В то же время, зольность верхних и пр о-межуточных классов снижается до 2-2,5 %. Из-за малого размера частиц минеральных компонентов и высокой степени размокаемости глинистых включений, соста в-ляющих основную часть последних , происходит перера определение минеральных компонентов угля по классам крупности: снижение зольности крупных и промежуточных классов и насыщение золой тонких классов. Существующие способы переработки углей, включающие предварительное дробление, раздельное мокрое обогащ е-ние углей в зависимости от их крупности с получением концентрата, породы, пром-продукта и угольного шлама не позволяют получить деминерализованное суспензионное угольное топливо из-за неприспособленности технологических схем к переработке углей с легко размокаемой породой. Разработана и успешно испытана в опытно-промышленном масштабе новая технология получения ВУС (рисунок 1), включающая в себя стадию дробления и мокрого обогащения угля в зависимости от класса крупности. При этом на выходе получены: концентрат кл. +6 мм с зольностью 6-10%, концентрат кл. 0-6 мм с зольностью 6-8 %, порода с зольностью более 70 % и угольный шлам кл. 0-500 мкм с зольностью 20-30 %, направляемый на приготовление суспензионного угольного топлива для сжигания в котлах котельной или ТЭЦ. Концентрат (кл. 0-6 мм) подвергался дополнительному измельчению мокрым способом до кл. 0-200 или 0-500 мкм при массовой доле твердой фазы в готовой суспензии 40-45 %. Полученная водоугольная суспензия направлялась на классификацию покл. 50 мкм, при меньшем содержании твердой фазы - по кл. 10 мкм. Верхний продукт классификации с частицами 0-10 или 0-50 мкм и зольностью 10-15 % после сгущения и осветления направлялся в качестве жидкой фазы на приготовление суспензионного угольного топлива из угольных шламов. Осветленную воду после сгущения продуктов классификации подавали на мокрое обогащение исходного угля. Нижний продукт классификации с частицами+10-200 или 50-500 мкм обезвоживался в прямоточной осадитель-ной центрифуге, позволяющей получать осветленную воду (фугат) с содержанием твердых частиц не более 5 г/л. Основная часть фугата направлялась в оборот на мокрое измельчение концентрата.

Осадок после центрифугирования кл. +10-200 или 50-500 мкм с зольностью 2,0-2,5 % подвергался дополнительному мокрому измельчению до кл. 0-1 или 0-10 мкм с помощью кавитационной обработки в присутствии раствора органического реагента-пластификатора, приготовленного с применением части осветленной воды при обезвоживании. В результате такого диспергирования было получено деминерализованное суспензионное угольное топливо с крупностью частиц угля менее 10 мкм и

зольностью рабочего топлива, не превышающего 2-2,5 х 0,6 = 1,2-1,5 % (где 0,6 - массовая доля твердой фазы в топливе). В таблице 1 представлено распределение зольности по классам крупности, полученное при стендовых испытаниях.

Исходный уголь

Рисунок 1 — Принципиальная схема процесса получения деминерализованного водоугольно-

го топлива

Таблица 1. - Распределение зольности по классам крупности (Л''жх, угля= 26 %)

Классы, мкм Выход, % Зольность,

+200 10.9 2.1

80-200 20,7 1.9

50-80 7.9 2.1

-50 60.5 11.4

Итого 6,7

Предложенный способ переработки углей позволяет получить деминерализованное суспензионное угольное топливо, которое может быть использовано в качестве замены дизельному топливу, топочному мазуту, котельному топливу и др. При этом его стоимость, в эквивалентном количестве (по калорийности), в 2-4 раза меньше цены традиционных жидких топлив, а перевод на это топливо котельных и малооборотных дизелей может быть проведен без переоборудования последних.

Влияние пластифицирующих добавок на реологические характеристики ВУС из углей марки «Д». Известно, что рядовые длиннопламенные угли Кузнецкого бассейна можно использовать для приготовления ВУС с массовой долей твердой фазы до 56-62 %. Полученные ВУС соответствуют требованиям трубопроводного транспорта и прямого (без обезвоживания) сжигания в теплогенерирующих установках. Характеристики вязкости и стабильность таких ВУС определяются физико-химическими свойствами угля. Зольность угля оказывает большое влияние на стабильность ВУС при хранении в статических условиях в течение 30 и более суток. Устойчивость суспензий к расслаиванию падает при значениях А* менее 12 %. Быстрое осаждение частиц угля с образованием плотного осадка происходит также в ВУС, отличающихся более высоким содержанием гидроксидов железа и магния в химическом составе золы угля.

С целью повышения стабильности ВУС из низкозольных длиннопламенных углей изучен ряд пластифицирующих добавок. Использованы пробы рядовых углей с содержанием золы от 9,3 до 18,0 % и обогащенных углей с зольностью 2,4-8,8 %. Установлено, что для получения стабильных ВУС из низкозольных углей можно использовать в качестве пластификаторов отходы целлюлозно-бумажных производств (технические лигносульфонаты Пермского ЦБК и модифицированные лигносульфо-наты Красноярского ЦБК).

В качестве аналога УЩР (углещелочной р еагент) возможно использовани е окисленных бурых углей с высоким содержанием гуминовых кислот (до 60 %) совместно со щелочью. При такой схеме гуматы натрия производятся непосредственно в мельничном аппарате в процессе приготовления ВУС. Это позволяет упростить процесс получения и дозирования добавок, т.е. исключить операции приготовления, доставки и хранения. При этом исходные компоненты подаются совместно на стадию помола в мельничный аппарат. Эффективность применения окисленного угля и щелочи проверяли на ВУС, полученных из каменного угля марки «Д». Процентное содержание щелочи оставалось тем же самым, что и при раздельном получении УЩР, т.е. 16-20 % на сухую массу окисленного бурого угля или 0,1 % на массу каменного угля. Доля окисленного бурого угля составила 0,5 % на сухую массу угля. Результаты показали (таблица 2), что использование окисленного угля совместно со щелочью снижало вязкость каменноугольных ВУС с 1,1-1,3 Па-с до 0,64-0,77 Па с, т.е. практически в два раза. Исходная зольность углей не оказывала значительного влияния на снижение вязкости, и это позволяет использовать добавку окисленного угля совместно со щелочью для низкозольных каменных углей.

Таблица 2 - Влияние пластифицирующих добавок на реологические характеристики ВУС из углей марки «Д», зольность угля (А14,3 %

Содержание твердой фазы в ВУС, % Химическая добавка Количество добавки,% Реологические характеристики

цс, Па-с т0, Па к, Па с" п

58,6 - - 1,01 3,72

58,2 УЩР 0.7 0,58 0,58 0,50 1,0

60,3 ИаОН+ок. уголь 0,1+0,5 0,64 1,67 0,60 1,0

59,7 №ОН+ок.уголь 0,15+0,7 0,62 0,60 0,50 0,9

Влияние процесса гомогенизации на стабильность и реологические свойства ВУС. Известны работы, в которых предлагается получать стабильные ВУС без использования химических стабилизирующих добавок. Статическая и динамическая стабильность свойств ВУС достигается приме нением кавитационной обработки, р о-торно-пульсационных аппаратов и других устройств. Здесь предложена схема увеличения стабильности за счет циркуляции ВУС по схеме «емкость - насос - емкость». Для определения влияния конструктивных и режимных параметров применяемого технологического оборудования на возможность получения ВУС с требуемыми физико-химическими характеристиками исследованы различные схемы гомогенизации ВУС: с циркуляцией ВУС по кольцу «емкость-насос-емкость», а также путем дополнительной установки после насоса нерегулируемых дросселей. Гомогенизированные таким способом ВУС хранили в седиментационных колоннах. Полученные результаты показывают, что возможно улучшение стабильности полученных ВУС при и с-пользовании циркуляции по контуру «емкость - насос - емкость» без усложнения технологической схемы. Полученные данные свидетельствуют также о том, что при циркуляции ВУС в процессе дополнительной механохимической деструкции образуется достаточно устойчивая структура ВУС, позволяющая упростить технологичес кую схему и исключить использование дополнительных устройств, таких как дроссели, кавитаторы и т.п.

Применение шихты углей разной степени метаморфизма. Перспективность получения ВУС из шихты углей разной степени метаморфизма обусловлена тем, что угли низкой стадии метаморфизма обладают большей реакционно й способностью, что приводит к интенсификации процессов воспламенения и горения. Изучены характеристики суспензий из смеси каменного кузнецкого угля и антрацита Листвянского месторождения. Суспензии готовили с содержанием антрацита 10, 25, 50, 75 и 90 %. При указанных соотношениях углей получены ВУС с содержанием твердой фазы 57-60,4 % и низшей теплотой сгорания 12-14,7 МДж/кг. Добавление 10 % антрацита к каменному углю не оказывает значительного влияния на реологические характеристики суспензий. С увеличением содержания антрацита в смеси от 25 до 75 %, содержание твердой фазы в ВУС повышается от 57 до 60 %, а теплота сгорания от 12,7 до 14,4 МДж/кг, т.е. более чем на 20 % (таблица 3). Полученные суспензии достаточно стабильны.

На основе шихты высокозольных отсевов антрацита и бурого угля можно приготовить высококонцентрированные суспензии с массовой долей твердого 49-62 % и удельной теплотой сгорания 11,7-15,6 МДж/кг. Лучшими по реологическим показателям и теплотворной способности топлива оказались суспензии из смесей с содержанием антрацита 25 % и более с содержанием твердой фазы 50-60 % и теплотой сгорания 12-15,3 МДж/кг. При этих соотношениях суспензии имели содержание твердой фазы до 16 % выше, чем ВУС из одних бурых углей. Полученные суспензии

Таблица 3 - Технологические характеристики ВУС на основе шихты из каменного угля и антрацита

Соотношение углей К: А Содержание твердого в ВУС, % Реологические характеристики Теплота сгорания, Q¡r, МДж/кг

ц„ Па-с к, Па-с" п

100:0 57,6 0,95 8,7 0,76 11,82

90:10 57,4 0,93 7,9 0,78 12,06

75:25 58,5 1,00 6,12 0,85 12,70

50:50 58,8 0,85 3,82 0,86 13,50

25:75 59,6 0,68 5,1 0,55 14,43

10:90 59,5 0,51 4,81 0,49 14,81

стабильны при хранении и пригодны для перекачивания насосами (ц„ менее 1,5 Па-с). Вязкопластические характеристики ВУС принципиально улучшаются с увеличением доли антрацита в исходной шихте более 20 %. Таким образом, использование композиционных ВУС взамен однокомпонентных позволяет решить одну из основных проблем ВУС - повышения теплоты сгорания при сохранении, а в некоторых случаях, и улучшении реологических характеристик суспензий.

Получение ВУС с бимодальным гранулометрическим распределением. В лабораторных условиях изучено влияние соотношения каменного и бурого угля в шихте (КУ : БУ) на гранулометрический состав и эффективность гомогенизации. Для экспериментов по приготовлению суспензий использовалась шихта с содержанием бурого угля от 5 до 50 %. Использовали каменный уголь марки «Д» ш. Инская Кузнецкого бассейна и бурый марки «Б2» Березовского месторождения Канско-Ачинского угольного бассейна На экспериментальном стенде изучен процесс добавления угля низшей стадии метаморфизма в ходе размола высокометаморфизованного угля и наоборот, соответственно. Для получения ВУС различного гранулометрического состава и с-пользовалась мельница МБЛ-100. Мелющими телами служили шары различного диаметра и цильпебсы. Процентное соотношение веса мелющих тел к весу загружаемого угля (Рщ/Ру) менялось от 9 до 14.

В режиме одностадийного измельчения шихты с разным соотношением КУ : БУ и последующей гомогенизацией показало лучшие характеристики по вязкости и стабильности получены при содержании бурого угля 5-20 % и расходе пластификатора 1 %. При этом содержание твердой фазы в полученных ВУС составляет 54-57 % при содержании тонких классов меньше 50 мкм в пределах 60-65 %. Дальнейшее повышение добавки угля низкой стадии метаморфизма приводит к ухудшению качественных характеристик суспензии.

При содержании бурого угля 20 % и соотношении 1',,/Ру = 9 получены ВУС, гранулометрический состав которых, независимо от времени измельчения и типа мелющих тел , имеет два ярко выраженных пика зависимости гранулометрического состава от выхода классов крупности (рисунок 2).

В ходе исследования влияния типа мелющих тел на гранулометрический состав ВУС и кинетику размола установлено, что тип мелющих тел оказывает неоднозначное влияние на количество тонкой фракции. На начальных стадиях дробления это влияние более заметно (рисунок 3). При увеличении времени помола разница выхода тонкой фракции практически исчезает и составляет всего 1-3 %. Бимодальный гранулометрический состав имеет место как при размоле в шаровой, так и в цильпебсной мельнице. Таким образом, лучшие свойства ВУС из смеси каменного и бурого угля

получены в области формирования бимодального гранулометрического состава и , следовательно, благодаря этому эффекту. Такой нетривиальный подход к получению качественных ВУС реализован впервые в мировой практике и далее испытан в пр о-мышленном масштабе.

Получение ВУС на основе смеси углей разной степени метаморфизма в опытно-промышленных масштабах с достижением бимодального состава шихты проводилось на базе имеющегося размольного оборудования экспериментального цеха Ачинского глиноземного комбината (АГК), рисунок 4, по схеме открытого контура без использования классификатора и без рециркуляции в две стадии.

Работа с шихтой из каменного и бурого углей показала, что выход тонких классов повышается с 2,8-33,0 после шаровой мельницы до 47,5-76,8 % после цильпеб-сной. Бимодальное распределение частиц угля в суспензии было получено только при производительности 8 т/ч. По окончании отработки режима при этой производительности было наработано 40 т ВУС из шихты каменного и бурого угля со следующими показателями: содержание твердого сухого остатка в суспензии 54 %; содержание фракции менее 50 мкм 57,7 % и более 200 мкм 3.1 %; структурная вязкость при скорости сдвига 10 с"' составила 0,74 Па-с, предел текучести 8,7 Па, коэффициент конси-стентности 5,6 Па-с", индекс потока 0.46; зольность 17,5 %, низшая теплота сгорания 11,58 МДж, высшая теплота сгорания 30,63 МДж. Хранение суспензии более 30 суток продемонстрировало ее высокую стабильность.

Проведено определение динамических характеристик ВУС в опытно-промышленных условиях (на трубопроводе в виде кольца длиной 120 м), позволяющее рекомендовать процесс для промышленного внедрения. Наработанная суспензия перевозилась автоцистернами на расстояние 200 км до ТЭЦ -2 г . Красноярска для опытного сжигания. После транспортировки характеристики ВУС не изменялись.

Опытное сжигание ВУС. На огневом стенде сначала было организовано горение мазута. При достижении температуры стенки верхней части топочной камеры 920 С, на сжигание была подана суспензия. Воспламенение ВУС происходило при 900 С, характер горения устойчивый, совместное горение суспензии и мазута продолжалось в течение 15 минут. Затем подача мазута и пара была отключена. Наблюдалось устойчивое горение суспензии.

Таким образом, впервые была показана возможность получения и сжигания высококачественных ВУС из смесей бурых и каменных углей. Высокая теплотворная способность и стабильность полученных в определенных условиях ВУС обусловлена бимодальностью гранулометрического распределения частиц угля.

Зависимость свойств водоугольпых суспензий от их состава. Исследования по приготовлению водоугольных суспензий проводили с каменными углями

20

50 200 460 920

Размер частиц угля, мкм

Рисунок 2 - Зависимость выхода классов крупности от гранулометрического состава, мкм

Ленинского и Ерунаковского районов марок «Д» и «ДГ». Для этих целей было отобрано 10 пластовых проб, которые характеризовались различным выходом летучих веществ (от 36,7 до 44,6 %), содержанием в горючей массе углерода (76,0-80,9 %) и водорода (4,5-5,4 %), значениями максимальной влагоемкости (от 11,3 до 21,8 %). Получено и исследовано 314 проб суспензий из этих углей. На основании полученных эмпирических данных найдена зависимость, позволяющая прогнозировать изменение качественных характеристик ВУС от физико -химического состава углей: содержания твердой фазы в суспензии от зольности, максимальной влагоемкости, гигроскопической влаги и содержания кислорода. На основании метода корреляционного анализа получена зависимость, описываемая линейным уравнением множественной регрессии:

Ств = 62,0 - 0,284 А''+ 0,093 - 0,947 IV" - 0,0364 О1'"1, (1)

где С-га - максимально достижимое содержание твердой фазы в ВУС, %; Аа, IV", О''"' - соответственно, зольность, максимальная влагоемкость, гигроскопическая влага и содержание кислорода, %.

s

5

i

(В %

'5

0 £

1 ^

о

о ш ь

о а» т S с о

70 -

9 20 30 39

Продолжительность помола, мин

Рисунок 3 - Зависимость содержания тонкой (менее 50 мкм) фракции ВУС от продолжительности помола для различных мелющих тел: 1 - шары; 2 - цильпебсы.

Рисунок 4 - Технологическая линия получения ВУС

Проверка коэффициентов модели по /-критерию Стьюдента показала значимость всех ее коэффициентов (соответствующие /-статистики больше табличных значений). Статистика Фишера модели Нравна 9,35, что больше табличного и говорит об адекватности модели экспериментальным данным . Коэффициенты множ е-ственной корреляции и изменчивости (равны соответственно 0,84 и 70,0 %) показывают хорошие статические свойства модели, довольно высокую точность предсказания и возможность использования для прогнозирования содержания твердой фазы в су с-

пензии в зависимости от физико-химического состава длиннопламенных углей Кузнецкого бассейна.

Модель обобщенной неньютоновской жидкости. Проведен анализ и расчет режимов работы трубопроводного транспорта водоугольных суспензий. Гидравлический расчет трубопроводов для стабильных гидросмесей (суспензий) из тончайших фракций (о'г.ф. < 50) заключается в определении гидравлических потерь и производительности и должен проводиться с учетом реологических характеристик ВУС, которые при высоком содержании в них угля почти всегда являются неньютоновскими жидкостями и, как правило, тиксотропны. Суспензии обычно описывают наиболее часто применяемыми в реологии неньютоновских жидкостей моделями псевдопл а-стичной жидкости (степенная модель Оствальда) или вязкопластичной жидкости (модель Бингама-Шведова). Константы этих моделей определяются из опытных данных, полученных на трубчатых или ротационных вискозиметрах. Они должны быть инвариантны относительно типоразмеров измерительных приборов. Однако, как показ ы-вают исследования, при определении реологических характеристик угольных суспензий наблюдается существенная их зависимость от скорости течения. Различие может достигать 200 %. Попытки объяснить это явление гипотезой пристенного проскальзывания приводят к значительным усложнениям и не могут считаться удовлетворительными, т.к. дают большие (до 30 %) расхождения значений реологических параметров, определяемых на трубчатых и ротационных вискозиметрах.

Реограммы течения ВУС имеют два резко отличающихся друг от друга участка: нелинейный - при малых скоростях сдвига (/ < 10-20 с"') и линейный - при скоростях сдвига, превышающих указанные значения. Такой характер реограмм течения объясняется постепенным разрушением агрегатов частиц, которое заканчивается при некотором напряжении сдвига 0, характеризующем суспензию. Это обстоятельство служит причиной появления больших ошибок при использовании моделей Оствальда и Бингама, а также Балкли-Гершеля, для описании течения суспензий в широкой области скоростей сдвига.

Предлагается начальный и линейный участки реограмм описывать разными уравнениями:

для начального участка - /=0 (2)

где I, - безразмерный коэффициент, т - напряжение сдвига, / - /-тая фракция;

для линейного участка - т - dgp + ц/, (3)

где - диаметр, g - ускорение свободного падения, р - плотность суспензии, ц - вязкость суспензии, у - скорость сдвига. Комбинируя уравнения (2) и (3), для течения суспензии по трубам с полностью разрушенными агрегатами частиц для скорости течения получим следующее выражение:

,=о' + 1 (4)

т

где тю - напряжение сдвига на стенке; т, = —. Тогда расход суспензии ( IV)

16 ^ (5)

где 0 - напряжение сдвига; Д = —; а, = —'— 2Й

9 1 + 2

ДР = —¿(а + л/бК + с),

Учитывая тот факт, что модель Бингама сама дает для Ж нелинейность, для получения совместного решения в обеих областях достаточно в формуле (5) огран и-читься двумя или тремя первыми членами. Во втором случае эта формула имеет приближенное решение относительно АР, которое можно записать следующим образом:

—1

- "/' (6) = (Щ2

где 3 4^1,] 21, ^Зд 6 ц

В большинстве встречающихся на практике случаев в трубопроводе имеются области течения с неполностью и полностью разрушенными агрегатами частиц . В этом случае, разбивая течение на две области с тю< 0 и тш > 0, получим

ТГ^г^Ао+аоА

32ц ^ 3 ) (7)

\4

г, (4 6 и'

где Д = —;а =---+ —

И1

Решение уравнения (7) с точностью до 1 % можно представить в виде

1 М 1 и2 \ 1 /

где А =-(2,06 + 0,11а); Д--(1,21 + 0,22а); С = — (1,1а-0,37);

И - число Ильюшина Для модели Бингама а = 1/3, тогда

(8)

^=!®1+0,26и+7Г7ОЛот.) м а2 1 * > (9)

Граница применимости линейного приближения выражений (8) и (9) с точностью до 4-5 % при достаточно малых И определяется из выражения (8) в виде

м а2 { 6 1+0,1И ) (10)

Таблица 4 - Потери давления на 1 км трубопровода при скорости транспорта ВУС 1 м/с

Диаметр трубы, мм Потери давления, МПа (экспериментальные данные) Потери давления, МПа (расчетные)

36 0,29 0,25

52 0,24 0,20

81 0,21 0,18

1000 0,13 0,15

Расчеты, проведенные с использованием предлагаемой модели, подтверждаются экспериментами, проведенными на суспензиях из каменного Кузнецкого и Бородинского углей (таблица 4 и раздел 4).

Предложенная модель обобщенной неньютоновской жидкости позволяет то ч-нее, чем известные модели, учитывать особенности вязких течений суспензий при гидравлическом расчете трубопроводов топливоподачи энергетических систем.

Четвертый раздел посвящен рассмотрению технологий получения ВУС из низкометаморфизованных бурых углей различных месторождений с целью нахождения общих закономерностей. Угли этих месторождений при одной марочной классификации отличаются физико -химическим составом вследствие разного характера накопления углеродсодержащих соединений. Представлено обобщение статистических данных, которые могли послужить основой в дальнейшем для создания нормативной документации при внедрении буроугольных ВУС в энергетические системы и комплексы на территории РФ.

Технология получения, хранения и сжигания ВУС из бурых углей КАБа. Благодаря высокой реакционной способности при сжигании бурых углей Канско-Ачинского бассейна практически не существует проблемы воспламенения, при этом обеспечивается устойчивое горение и хороший выжиг топлива. Вместе с тем, существует ряд проблем, присущих углям низкой степени метаморфизма - высокая окис-ляемость при хранении на воздухе в условиях угольных складов и самовозгорание и др.

Здесь рассмотрены сухой и мокрый способы получения ВУС. Изучены реологические свойства и седиментационная устойчивость в од оугольных суспензий, приготовленных путем смешивания из предварительно размолотого и рассеянного по фракциям бородинского угля с \У = 29,6 %. Модельные составы были получены с использованием формулы Альфреда, которая, позволяет рассчитать состав устойчивых к расслаиванию суспензий с низкой вязкостью и оптимальным гранулометрическим распределением частиц угля. Установлено, что из бурых углей по этой технологии можно получить ВУС с Ст = 49 %, цСтр = 0,4 Па-с. Но в такой технологии перемешивание оказывает определяющее влияние на характеристики стабильности суспензий. Применение лопастных мешалок допустимо лишь при скорости вращения вала не ниже 500 об/мин. Но даже в этом случае получаемые ВУС обладают низкими и трудно предсказуемыми стабилизационными характеристиками, обусловленными образованием двухфазной системы из сухого угля и воды, даже при участии пластификатора. Большое влияние оказывает наличие на поверхности угольных частиц лиофиль-ных и лиофобных участков, дзета-потенциала и многих других факторов, которые затрудняют процесс получения устойчивой и текучей ВУС. Получение ВУС методом «мокрого помола» позволяет избежать многих вышеизложенных проблем и получить устойчивые системы за счет появления в процессе механохимической деструкции угля иного механизма взаимодействия фаз. При том же Ст ~ 49 %, но допустимо большей вязкости цстр = 0,76 Па с стабильность составила более 15 суток. Таким образом, полученные результаты показали преимущество «мокрого» способа получения ВУС из бурых углей.

Влияние степени измельчения и качества твердой фазы буроугольных ВУС на реологические характеристики и стабильность суспензии при разном содержании твердой фазы приведено в таблице 5. Видно, что с увеличением продолжительности помола выход фракции угля менее 50 мкм (Л50) растет и в связи с этим увеличивается вязкость ВУС и ее стабильность. Установлено, что суспензии, полученные из свеже-добытого угля (проба № 2), по сравнению с суспензиями из угля со склада (проба № 1) при сопоставимых значениях количества твердой фазы в ВУС и степени ее измельчения имеют значительно более низкие значения структурной вязкости (практически в 2 раза) и начального напряжения сдвига (в 3-7 раз). Стабильность таких суспензий при равных значениях |лстр и т0 так же выше из-за образования более устойчивой структурированной системы. Следовательно, возможности получения буроуголь-

ных ВУС без пластификаторов ограничены антибатными зависимостями вязкостных показателей и стабильности от продолжительности помола

Таблица 5 - Влияние продолжительности помола на степень измельчения и свойства буроугольных ВУС*

Продолжительность помола, мин Остаток на сите, % П роба №1(склад) Проба № 2(свежедобытый)

^50 Ягоо Цстр, Пас т0, Па Стабильность, сут йсгр» Пас То, Па Стабильность, сут

10 42-43 4-5 0,57 12 1 0,35 5,0 1

20 26-28 2-3 1,09 32 2 0,50 6,0 2

30 24-27 1-2 1,33 32 5 0,64 9,0 7

40 22-25 ~1 1,40 35 20 0,69 9,5 22

50 18-20 -0,5 1,5 41 30 0,70 9,0 29

60 15-16 -0,3 1,5 44 40 0,73 6,0 42

* Содержание твердой фазы в ВУС составляет 41,8-42,0 %

Тип и режимные параметры размольного оборудования являются важными технологическими факторами в процессе получения ВУС. В экспериментах по оценке их влияния использовался бурый уголь марки «Б2» Бородинского месторождения без химических добавок. Процесс мокрого измельчения угля исследовался в мельнице МБЛ-100 и в валково-центробежной мельнице, которая измельчает уголь под избыточным давлением, около 0,2 МПа и по своим характеристикам относится к категории мельничных конструкций высокой энергонасыщенности. На рисунках 5 и 6 представлена динамика приращения тонкой фракции (с размером частиц от 0 до 50 мкм) в мельнице МБЛ-100 и в валково-центробежной мельнице, которая была разработана и испытана в КАТЭКНИИуголь при участии автора. Установлено, что для получения ВУС с необходимыми для трубопроводного транспорта и сжигания требованиями в мельнице МБЛ-100 достаточно 20 минут работы. При этом удельная производительность этой мельницы, в пересчете на рабочий объем = 1 м3, за час непрерывной работы составила 1330 л/иг'ч. ВУС с теми же характеристиками в валковой мельнице можно получить при производительности 3100 л/ч. Удельная производительность валковой мельницы, в тех же единицах измерения равна 26495 л/ м ч.

Испытанная роторная мельница, производительностью 3100 л/час, без увеличения габаритов и мощности может обеспечить топливом потребителя тепла мощностью до 10,3 МВт. Полученные экспериментальные данные о динамике приращения тонкой фракции бурого угля при получении ВУС в различных мельничных конструкциях могут быть использованы при выборе измельчающего оборудования в технологических линиях по получению водоугольных топливных суспензий.

Влияние химических добавок. Значительная часть пластифицирующих добавок в ВУС имеет щелочную среду (лигносульфонатные добавки, углещелочные реагенты и т.п.). Природа влияния щелочей на стабильность водоугольных суспензий на основе бурых углей практически не исследована. Зависимость структурной вязкости ВУС от концентрации вводимой щелочи имеет экстремальный характер с минимумом в интервале значений концентрации щелочи от 0,2 до 0,5 % (рисунок 7). С увеличением зольности угля от 4,6 до 7,6 % количество гидроксида натрия необходимо повышать с 0,2 до 0,5 % для обеспечения необходимой вязкости и стабильности суспензий.

Увеличение содержания щелочи до 1 % приводит к расслоению суспензии с образованием жесткого осадка. Такие экстремальные зависимости ранее в литературе не обсуждались. Их природа объясняется следующим механизмом влияния щелочи и ее концентрации на вязкость ВУС - водная щелочь, реагируя с бурым углем, на первой стадии переводит в водную фазу гуминовые кислоты в виде натриевых солей:

ЫаОН+(НО - Ншшп) ь - (№0 - Нитт)воян2 +Н О, (11)

где (НО - Hu min )угш1Ь - гуминовые кислоты в угле, (NaO - Humin)^ - растворившиеся натриевые соли гуминовых кислот.

Натриевые соли гуминовых кислот в водном растворе находятся в виде истинного раствора, и именно этот состав имеет водная фаза ВУС при больших концентрациях щелочи (более 0,5 %, рисунок 7), обеспечивающих полный переход гуминовых кислот в соответствующие соли. При малых концентрациях щелочи первый этап ее взаимодействия с углем описывается уравнением (11), а затем следует стадия гидролиза солей гуминовых кислот и миграция ионов натрия из раствора в твердую фазу угля:

(NaO - Humin) + (НО - Humin),,

■(HO-Humin)rejIb+ (NaO - Humin) (12)

110

Продолжительность измельчения, мин

Рисунок 5 - Влияние продолжительности измельчения и содержания твердой

фазы в ВУС на приращение тонкой фракции (< 50 мкм). Содержание твердой фазы в ВУС (по абсолютно сухой массе угля): 1 - 33 %, 2 - 43%, 3-38 %

Рисунок 6 - Влияние числа циклов размола на приращение количества тонкой фракции (<50 мкм) при производительности: 1 - 600, 2- 1400 и 3-3100 л/час

2 3 4 5

Число циклов

Этот процесс может протекать именно при малых концентрациях щелочи, что приводит к коагуляции гуминовых кислот, переходу истинного раствора натриевых солей гуминовых кислот в коллоидный раствор - гель гуминовых кислот, который стабилизирует водоугольную суспензию и снижает ее вязкость. С позиций предлагаемого механизма стабилизации ВУС, гуминовые кислоты, стабилизирующие ВУС, должны быть нерастворимы в воде, а их соли должны растворяться в слабощелочных растворах. Такими свойствами обладают гуминовые кислоты в «классическом» п о-нимании этого термина и не обладают водорастворимые фракции (фульвокислоты и т.п.). Активные в этих процессах гидроксильные группы гуминовых кислот в первую очередь имеют карбоксильную природу и, возможно, фенольную. При высоких концентрациях щелочи процесс (12) невозможен, т.к. депротонируются все кислотные группы гуминов, что приводит к выпадению жестких осадков. Оптимальный расход щелочи для пластификации ВУС возрастает при увеличении зольности используемого угля, что обусловлено минимум двумя причинами: во-первых, возможно связывание активной щелочи зольными компонентами угля, например, в силикат натрия; во-вторых, параллельно с зольностью часто возрастает содержание гуминовых кислот в

углях, а это, в соответствии с предлагаемым механизмом стабилизации суспензий, приведет к увеличению количества щелочи, необходимого для их растворении и коагуляции. Влияние количества нативных гуминовых кислот в угле на реологические характеристики буроугольных также объясняется в рамках предлагаемой феноменологической модели механизма стабилизации ВУС.

1.6

и

£ 1.4

о;

ю

| 1.2

|

е- 1

о

л

% 0.8

Использование в качестве пластифицирующих добавок отходов производств. В качестве химических добавок использовали отходы Красноярского ЦБК -технические (JICT) и модифицированные (ЛСМ) лигносульфонаты со следующими характеристиками: ЛСМ 1 - рН = 9,3, Ст= 45 %; ЛСМ 2 - рН = 8. Ст= 52 %; ЛСМ 363 - рН = 6,5, Ст = 50 %; ЛСМ 364 - рН = 5,0, Ст = 50 %, пластификатор С-3 и композиции этих добавок. Реагент С-3 ранее успешно применялся для каменноугольных ВУС и на буроугольных ВУС не исследовался. Установлено, что введение исследуемых добавок в достаточной степени повышает текучесть ВУС, приготовленных из бурого угля. Коэффициент характеристики потока п для всех ВУС < 1 показывает, что применяемые химические добавки не изменяли псевдопластический характер течения суспензий. Практически все полученные ВУС с использованием вышеперечисленных добавок, обладают статической стабильностью до 30 суток. Введение добавок с развитой полимерной структурой в ВУС на стадии гомогенизации снижает значение структурной вязкости в 3-4 раза, а на стадии мокрого помола приводит иногда даже к увеличению структурной вязкости. Это объясняется разрушением в процессе механо-химической деструкции полимерной структуры добавки, что приводит к снижению ее эффективности. Следовательно, эти добавки можно использовать на стадии гомогенизации. Применение в качестве добавки щелочи показало устойчивое снижение структурной вязкости как на стадии гомогенизации с 1,878 до 0,801 Па-с, так и на стадии помола - до 0,767 Па-с.

Использование вторичных ресурсов в процессе получения ВУС. Задачей данной части исследований ставилось определение возможных источников технической воды для приготовления суспензий, и влияние состава воды на реологические свойства суспензий. В качестве возможных источников были рассмотрены дренажные воды и воды с очистных сооружений г. Шарыпово и п. Дубинино (бытовые и промышленные стоки Березовской ГРЭС). Общее солесодержание в технических водах выше в 4,2-5 раз, чем в водопроводной воде. Сточные воды характеризуются высоким содержанием анионов хлора (в 15 раз), что обусловлено их обработкой хлорирующими препаратами с целью дезинфекции. На рисунке 8 показано влияние типа воды на реологические характеристики ВУС при одинаковых условиях приготовления суспензий. Видно, что ВУС, приготовленные на основе очистной воды, имеют повышенные значения вязкостных параметров (рисунок 8). Причем, эти различия существенны в области высоких содержаний твердой фазы, где высоки плотность упаковки и межмолекулярное взаимодействие между частицами угля. Высокое содержание ионов хлора в сточной воде отрицательно влияет на текучесть ВУС, что подтверждается и литера-

Количество NaOH. %

Рисунок 7 - Зависимость структурной вязкости ВУС от количества вводимого гидроксида натрия (Ст- 46 %). Зольность угля: 1 - 4,6; 2 - 5,3; 3 - 7,6 %

турными данными. Дистиллированная вода по оказываемому влиянию на реологические свойства суспензий практически равнозначна водопроводной.

Сравнительная оценка характеристик суспензий показала, что эффективность снижения динамического напряжения сдвига и структурной вязкости с добавками щелочи и лигносульфонатов от вида воды располагается в следующем порядке: водопроводная > дренажная > сточная.

Содержание твердой фазы в ВУС.

% а Содержание твердой фазы в ВУС.

% б

Рисунок 8 - Зависимости структурной вязкости (а) и динамического напряжения сдвига (б) ВУС от типа воды: I - очистная; 2 - дренажная; 3 - водопроводная; 4 - дистиллированная

Использование сточной воды после гидрозолоудаления ТЭЦ. Эксперименты по приготовлению ВУС проводились с использованием одной сточной воды и совместно с пластификатором С-3. Сточная вода имела следующие характеристики: показатель рН = 12,1, жесткость общая - 17,5 мг-экв/л, жесткость кальциевая -15 мг-экв/л, щелочность общая - 10,2 мг-экв/л, содержание хлоридов - 380 мг/л, содержание сульфатов - 235 мг/л, солесодержание - 1750 мг/л. Эксперименты проводили на смеси углей разной степени метаморфизма при их разном соотношении. Максимальное содержание твердой фазы в суспензии на сточной воде получено на бородинском угле и антраците в соотношении А : Б = 25 : 75 (Ст = 54,2 %). ВУС, приготовленные на одной сточной воде без пластификатора, получаются жесткими с низкой статической и динамической стабильностью. Применение пластификатора С-3 в количестве 1,0 % (рисунок 9 а) позволило снизить вязкость в 2-3 раза, что дает возможность получения ВУС с более высоким содержанием твердой фазы.

Таким образом, найдены условия получения ВУС, в которых при сопоставимых значениях вязкотекучих характеристик на сточных водах золоудаления можно получить ВУС с более высоким содержанием твердой фазы, чем при употреблении питьевой воды (рисунок 9 б).

Зависимость структурной вязкости и динамического напряжения сдвига от температуры. Установлено, что с повышением температуры от 6 до 80 °С структурная вязкость ВУС из бурых и каменных углей и их смесей уменьшается практически в 2 раза как с добавками, так и без таковых. Динамическое напряжение сдвига в большинстве случаев увеличивается также в 2 раза, что может негативно влиять на эффективность распыла топлива.

Замораживание и последующее оттаивание показало, что начальное напряжение сдвига увеличивается практически в 4 раза после размораживания. Аналогичная зависимость прослеживается и для ВУС, в процессе приготовления которых использовали пластификаторы. Полученные данные говорят о том, что замораживание и последующее оттаивание ВУС нежелательны, поскольку в этом случае возможны проблемы с запуском технологического оборудования.

Содержание твердой фазы в ВУС. %

51 52 53 54

Содержание твердой фазы в ВУС. %

Рисунок 9 - Зависимость реологических характеристик ВУС от типа воды: а - смесь углей антрацит : березовский в соотношении 25 : 75 (1 - сточная вода; 2 - сточная вода с пластификатором С-3; 3 - питьевая вода с пластификатором С-3); 6 - смесь углей каменный : березовский в соотношении 30 : 70 (1 - питьевая вода; 2 - сточная вода)

Все полученные в лабораторных условиях закономерности и основные технологические решения были использованы при получении ВУС на экспериментальном стенде АГК производительностью до 21 т/ч в опытно-промышленном масштабе. Использовали рядовые бурые угли Березовского месторождения. Суспензию получали в режиме двухстадийного мокрого помола . Производительность колебалась от 4 до 12 т/ч по углю. При производительности установки по ВУС 9-10 т/ч (5-6 по углю) получили суспензии с содержанием твердой фазы 39-44 %, количеством тонкой (менее 50 мкм) фракции угля 70-78 %, структурной вязкостью 0,1—1,1 Па-с и динамическим напряжением сдвига 4,5-30,0 Па. Определены энергозатраты на приготовление одной тонны ВУС по этой схеме, которые не превышали 25 кВт'ч/т. В процессе выполнения исследований получено 1200 т ВУС.

Для определения динамических характеристик ВУС на АГК был смонтирован трубопровод диаметром 200 мм в виде кольца длиной 120 м, на котором определяли режим течения ВУС после хранения ее в состоянии покоя в течение 27 суток путем прокачки в течение трех часов. Вязкость суспензии составила 0,22 и 0,15 Па-с в начале и конце эксперимента, соответственно. Выпадение осадка после хранения суспензии в течение 27 суток не наблюдалось, т. е. ВУС из березовских углей восстанавливает вязкопластические свойства в результате прохождения по кольцу в течение нескольких часов и пригодна для транспортирования по трубопроводу.

Для проверки технологии в масштабах крупнотоннажного производства были проведены исследования по получению ВУС на промышленном оборудовании ц е-ментного завода АГК. Режимы приготовления ВУС отрабатывали при производительности шаровой мельницы 90-150 т/ч по рядовому углю. В качестве жидкой фазы использовали технологическую воду АГК, обладающую высокой щелочностью -2,0-2,8 мг-экв/л и рН = 8,2-9,4 (это связано с тем, что она участвует в оборотном водоснабжении глиноземного , цементного и содового производств ) и с расходом 65-110 м3/ч. При смешивании воды с углем в мельнице образуются гуматы. являющиеся пластифицирующей добавкой, аналогичной щелочи. Производительность по ВУС находилась в пределах от 160 до 250 т/ч. При производительности промышленной установки по суспензии 225 т/ч было наработано 1260 тонн суспензии, из которых 1160 тонн (967 м ) оставили на хранение в коррекционном бассейне. Усреднение характеристик и перемешивание суспензии в бассейне осуществлялось барботирова-нием сжатым воздухом. После перемешивания содержание твердой фазы в ВУС составило 37,6-42%, структурная вязкость - 0,11 Па-с, предельное динамическое напряжение сдвига — 5 Па, плотность - 1125 кг/м3. Промышленные испытания технологии приготовления ВУС из бурых углей показали, что технологическая схема обеспечивает надежное получение суспензии из бурых углей с производительностью 200-225 т/ч при содержании твердой фазы до 42 % и может быть рекомендована к

промышленному использованию как основа станции энергетических систем по приготовлению ВУС.

Сжигание ВУС в промышленныхмасштабах. Опытное сжигание ВУС проводилось на цементной печи стандартного типа правого вращения (со стороны топки) которая была оборудована дополнительной суспензионной форсункой разработки «ТЕУС» АГК. Сжигание ВУС осуществлялось совместно с пылеугольным сжиганием кузнецкого угля. Расход ВУС на форсунку находился в диапазоне от 2,5 до 6 тонн в час. При температуре вторичного воздуха от 450 до 600 °С воспламенение ВУС, при массовом расходе 4 800 кг/ч, происходит в виде «бенгальских огней». Горение начинается на расстоянии двух-трех метров от среза форсунки и сопровождается правосторонним закручиванием и перемешиванием газов с захватом частиц каменного угля. При температуре вторичного воздуха выше 600 °С горение ВУС происходит в виде мазутоподобного факела, при этом факел «подтягивается» на расстояние 0,5 м от среза форсунки и встраивается в пылеугольный поток. Турбулентное вращение исчезает и, после выхода на режим, пылеугольная подача прекращается. При температуре вторичного воздуха от 350 до 450 °С (аварийный режим) горение ВУС и каменного угля идет менее интенсивно и зона воспламенения затягивается в зону спекания. Тур-булизации воздушных потоков в зоне охлаждения спека не наблюдалось. В ходе определения качества спека отмечается улучшение показателей отстаивания после выщелачивания спека за 15 часов.

За время испытаний было сожжено 32 тонны ВУС в течение 6 часов. Остальное количество ВУС (1240 т) было сожжено в плановом порядке без авторского надзора со стороны разработчиков. Проведенные промышленные испытания показали, что процесс сжигания ВУС в цементной печи протекает устойчиво. Следует также отметить, что при производстве цемента зольность топлива, сжигаемого в печи, не играет существенной роли, и переход от мазута к водоугольной суспензии природой и наличием золы в угле не осложняется.

Для обеспечения изучения горения ВУС в других топочных устройствах была разработана, смонтирована и испытана лабораторная установка по сжиганию с применением системы плазменного воспламенения. Установка включает в себя основные элементы, необходимые для обеспечения процесса розжига и поддержки стабильного процесса горения водоугольной суспензии; системы хранения и регулируемой подачи ВУС, системы водо- и газоснабжения, горелочные устройства с форсункой, систему плазменного воспламенения. Поджог водоугольных горелок и стабилизация пламени производились плазмотроном мощностью 30 кВт. Средние значения полученных характеристик процесса сжигания представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Технологические параметры сжигания ВУС

Расход ВУС, м /ч Давление ВУС, МПа Давление сж. воздуха, МПа Температура в го-релочном устройстве, С Ток дуги, А Напряжение на дуге, В

0,8 0,2 0,4 780 125 220

Полученные экспериментальные данные послужили основой для численного исследования процессов сжигания ВУС из углей разной степени метаморфизма в топочных устройствах. Изучение процесса горения выполнялось с использованием программы ANS YS FLUENT v. 12.1, позволяющей моделировать процесс горения на основе кинетики процессов окисления, тепло- и массообмена в турбулентном режиме. В качестве сеточного генератора использовался ICEM CFD v. 12.1, который является препроцессором ANSYS FLUENT. Расчетный объем состоял из вихревой камеры, форсунки, выходного отверстия и системы нижнего дутья. Получено распределение температурных контуров в топке при сжигании ВУС из углей разной степени метаморфизма, определены траектории движения частиц в топочном пространстве (рисунок 10), что позволило определить зоны устойчивого горения суспензионного топлива. Результаты моделирования хорошо согласуются с опытными данными (таблица 7), полученными в процессе сжигания опытных партий ВУС, приготовленных из углей различных марок на демонстрационном стенде НПЦ «Сибэкотехника».

Таблица 7 - Сравнение результатов численного моделирования и эксперимента

Параметры Результаты

численного моделирования эксперимента

Тепловая мощность 232 кВт 245 кВт

Выход СО 248 мг/м" 272мг/м'>

Выход N0* 252 мг/мл 266 мг/м''

Механический недожог 5 % 2 %

«е-ог , 5

МвГОПиЕНТ 12

а б с

Рисунок 10 - Результаты численного исследования: а - сеточный генератор; б - температурный контур сжигания каменноугольных ВУС; с - температурный контур сжигания буро-

угольпых ВУС

Технологические процессы получения ВУС на основе углей обводненных месторождений Дальнего Востока. Рассмотрены бурые угли марок «К2» (Ерковец-кое месторождение), «Б1» (Павловское месторождение) и каменные угли марки «Д» (Огоджинское месторождение). Низшая теплота сгорания полученных ВУС из ерко-вецкого угля равна 7452,9-7913,4 кДж/кг, т.е. лежит на нижнем пределе сгорания их в существующих энергетических котлах. Суспензия из павловского угля имеет еще более низкие значения ()[ (6536,4-7206,8 кДж/кг), чем ерковецкий уголь, что явно недостаточно для эффективного сжигания.

Технологический процесс приготовления ВУС для всех видов углей включал стадии дробления, мокрого измельчения в мельнице и гомогенизации. Для бурых углей Ерковецкого и Павловского месторождений разработаны три технологии получения: из рядовых углей с естественной влажностью; из подсушенных углей; из рядовых углей с добавлением огоджинского угля на стадии мокрого помола.

С точки зрения достижения максимального содержания твердой фазы в ВУС лучшие характеристики и меет длиннопламенный уголь Огоджинского месторождения (содержание твердой фазы на 15-27 % выше, чем в суспензиях из рядовых бурых углей). Оптимальной вязкостью для эффективного и экономичного транспортирования является значение 0,8-1,0 Па с. В этом случае суспензию из огоджинского угля можно перекачивать при содержании твердого 58-65 %, из рядового ерковецкого угля - при содержании твердого 43 %, а суспензию из павловского угля - при 39 % твердой фазы.

Повышенная исходная влажность бурых углей в значительной степени затрудняет, а в некоторых случаях и делает нецелесообразным их использование с целью получения водоугольных суспензий. Поэтому регулирование содержания влаги имеет большое значение при подготовке угля к последующему технологическому использованию. В процессе сушки происходит изменение свойств поверхности угольных частиц, в частности, меняется гидрофобность поверхности, что позволяет перевести по-

чти всю влагу в несущую среду ВУС. При исследовании влияния степени подсушки исходного угля на содержание угля и вязкость водоугольных суспензий установлено, что ее следует производить до показателя равновесной влажности (№"). При этих значениях влажности угля можно максимально повысить его содержание в ВУС (в среднем на 10 %).

Другим направлением по повышению содержания твердой фазы и теплоты сгорания суспензии являлась разработка технологии получения ВУС из смесей углей ер-ковецкий / огоджинский и павловский / огоджинский. Огоджинский уголь более высокой стадии метаморфизма и его добавление к бурым в количестве 25-50 % (на сухую массу) позволило изменить, по сути, физико-химический состав угля, в частности увеличить содержание углерода и снизить содержание кислородсодержащих групп. Если суспензия из ерковецкого угля имела содержание твердого 43 % при вязкости 0,8-1,0 Па-с, то добавка огоджинского угля в вышеперечисленном количестве позволила повысить содержание твердой фазы до 48-52 % и поднять низшую теплоту сгорания до 9083-10718 кДж/кг. Для смесей ВУС павловского и огоджинского углей, полученных при той же вязкости, содержание твердого составило 44-49 % в сравнении с 39 % для суспензии только из павловского угля. Теплота сгорания этих смесей составила 7410-8708 кДж/кг. Более низкие результаты по этим гидросмесям объясняются более низкой стадией метаморфизма исходного павловского угля.

Влияние зольности исходной шихты на реологические и теплотехнические характеристики полученных ВУС. Для этого в работе использовался уголь марки «Д» с зольностью от 20,6 до 38 % и уголь марок «Б2» и «Б1» с зольностью 20,3 и 21,5 %, соответственно. Показано, что с увеличением зольности используемой шихты наблюдается тенденция к снижению значений структурной вязкости (рисунок 11), а теплота сгорания полученной суспензии закономерно снижается. Данные, представленные на рисунке 12 показывают, что при сопоставимых значениях вязкости содержание твердой фазы в суспензиях из смесей, содержащих уголь марки «Б1» и «Д», ниже, чем из смесей с бурым углем марки «Б2». Установлено, что добавка угля марки «Д» к углям марки «Б2» в исследованном количестве (25-50 %) повышает содержание твердого в ВУС по сухой массе на 5-11 %, а теплоту сгорания на 22^19 %. Добавка угля марки «Д» к углям марки «Б1» (33-50 %) также повышает содержание твердой фазы в ВУС на 5-11 %, но теплота сгорания в этом случае ниже в среднем на 1335 %.

Для получения ВУС из смесей углей с более высокими технологическими и теплотехническими характеристиками предпочтительно более высокое содержание угля марки «Д». Оптимальное соотношение углей в смесях должно обуславливаться не только показателями ВУС, но и рентабельностью их производства и транспортирования Предварительные экономические расчеты дают основание полагать, что наиболее рентабельны ВУС с невысоким содержанием угля марки «Д» (25 %) в смеси с углем марки «Б2». Содержание твердой фазы суспензий из таких смесей на 5-6 % выше, чем из исходных углей марки «Б2». Теплота сгорания при этом повышается на 28 %. При использовании угля марки «Б1» добавка угля марки «Д» должна быть более 30 % для получения ВУС с удовл етворительными теплотехническими характеристиками. Для огоджинского угля разработаны два технологических варианта получения ВУС: из рядового угля, измельченного в присутствии воды и пластифицирующей добавки; из рядового угля, измельченного с водой и добавками пластификатора и этилового спирта. При использовании в процессе получения ВУС воды и пластифицирующих добавок можно получить топливные суспензии с удовлетворительной стабильностью

и содержанием твердой фазы 58-60 %. Теплота сгорания при этом составляет 11,18-16,74 МДж/кг в зависимости от физико-химического состава угля. Добавка этанола до 15 % ухудшает технологические свойства суспензии: вязкость и устойчивость к расслаиванию. Содержание твердой фазы в спиртоводоугольных супен-

2 -

51.75 53.25 54.75 56.25 Содержание твердой фазы в ВУС. %

49 50,5 52 53,5 55 54,5 Содержание твердой фазы в ВУС. %

« с

0,5 --

47 49 51

Содержание твердой фазы в ВУС. %

Рисунок 11 - Влияние зольности смеси угля марок Д и Б2 на содержание твердой фазы и структурную вязкость ВУС: а) 1 -зольность 20 %; 2 - зольность 22 %; 3 -зольность 29 %, соотношение углей в смеси 1:1; б) соотношение углей в смеси 2:1; в) соотношение углей в смеси 3:1

зиях уменьшается на 2-3 % без снижения показателей теплоты сгорания. Добавка предельных спиртов в ВУС понижает температуру замерзания (при добавлении 15 % С2Н5ОН - до -15 С), что позволит использовать ВУС в зимнее время.

На основании полученных экспериментальных данных разработаны и предложены системы транспорта водоугольного топлива из углей разной степени метаморфизма обводненных месторождений Дальнего Востока. Выполненные экономическая и экологическая оценки показали достаточную конкурентоспособность ВУС из местных углей сжиганию рядовых углей и мазута.

Технология получения и сжигания топливных водоугольных суспензий из монгольских бурых углей в лабораторном и в промышленном масштабах. Здесь были использованы угли Багануурского и Шивээ-Овооского месторождений Монголии (пробы № 1 и № 2, соответственно), которые отличаются от углей Канско-Ачинского бассейна и Дальневосточных углей физико-химическим составом и, как еле д-ствие, маркой. Основные характеристики исходных углей представлены в таблице 8.

Используя бассейновую классификацию углей, принятую в РФ, и исходя из значений рабочей влажности исследуемых углей (таблица 8), можно сказать, что багануурский уголь соответствует углю марки «БЗ», шивээ-овооский уголь - углю марки «Б1». Приготовление ВУС производилось на вибростенде СВУ-2. В процессе получения ВУС использовали четыре типа комплексных добавок: ЖМС, ЛСН, С-1, ДЩ. Количество добавки изменялось от 0,1 до 1,0 % на массу сухого угля. Состав добавок разработан в ЗАО НПП «Сибэкотехника» и представляет собой композиции высокомолекулярных соединений и щелочных реагентов. В таблице 9 представлены усредненные характеристики опытных проб водоугольного топлива, полученного на вибростенде СВУ-2.

Таблица 8 - Теплотехнические характеристики углей

№ пробы Содержание в %* Теплота сгорания, кДж/кг

Л*

1 28,2 11,1 14067,7

2 42,7 7,0 14352,6

*1У - влаги рабочей; А — зольности.

Таблица 9 - Влияние пластифицирующих добавок на реологические характеристики __ водоугольных топливных суспензий_

Добавка Содержание твердой фазы в ВУС, % Низшая теплота сгорание кДж/кг Эффективная вязкость при скорости сдвига Коэффициент консистент-ности, к, Па с" Индекс потока, п

9 с1, мПа-с 81 с', мПа-с

Багануурский уголь ((К, = 28,2 %, А° = 16,1%)

Без реагента 44,4 - 3466 667 1,62 0,81

С-1,0,1 % 44,0 7670,6 2667 652 3,18 0,67

ЖМС0,31 45,0 7900,9 - 504 0,83 0,88

ЛСН1,0 46,8 8315,4 - 859 1,48 0,88

ДЩ0.5 47,0 8361,4 1867 948 1,64 0,88

Шивээ-Овооский {№г,= 42,7 %, Аа = 12,8 %)

Без реагента 35,8 6925,3 3467 1052 8,70 0,56

С-1,0,1 % 35,4 6820,6 4267 1348 14,71 0,47

ЖМС0,31 36,3 7046,7 2667 874 4,04 0,68

ЛСН1,0 37,5 7373,3 5200 1563 7,20 0,67

ДЩ0.5 37,4 7348,2 3333 1230 2,94 0,82

Таблица 10 - Технологические характеристики ВУС

Наименование показателя Единица измерения Числовое значения для

багануурского угля шивээ-овооского угля

Крупность частиц мкм 0-350 0-350

Массовая доля твердой фазы % 44,0-46,0 32,0-35,0

Эффективная вязкость при скорости сдвига 81 с'1 мПас до 1000 до 1000

Зольность на сухое состояние топлива % до 17,5% до 17,5%

Статистическая стабильность сутки не менее 10,0 не менее 10,0

Таблица 11 - Теплотехнологические параметры сжигания ВУС из шивээ-овооского угля

Тем-ра топки, °С Давление ВУС, атм Расход ВУС, л/ч Давление сж. воздуха, атм Расход сж. возд., м3/ч Давление разреж., мм. вод. ст. со*, мг/м3 N0/, мг/м3 802", мг/м3

багапуу )ский уголь

888 1,3 130 1,2 98 3 451 182 98

855 1,2 130 1,2 100 3 390 196 60

885,6 1,5 130 1,5 100 3 272 220 51

929,6 1,35 140 1,3 100 5 248 252 47

шивээ-овооскнй уголь

750 1,55 200 1,5 90 5 507 184 101

816,1 1,5 150 1,5 85 4 411 199 89

838,4 1,65 200 1,6 90 7 323 218 74

840,7 1,6 200 1,6 90 5 266 239 62

856 1,65 200 1,6 90 4 246 252 52

• Нормативное содержание в отходящих газах: СО - 375 мг/м3, N0, - 750 мг/м3, БО, - 375 мг/м3.

Для исследования процессов воспламенения и стабильного горения в опытно-промышленных условиях были приготовлены две партии ВУС из углей этих месторождений (таблица 10). При проведении испытаний по сжиганию ВУС на основе монгольских углей была использована демонстрационная стендовая опытно-промышленная установка ФГУП «НПЦ «Экотехника» и ЗАО НПП «Сибэкотехника». Совместное сжигание ВУС с дизельным топливом осуществлялось до температуры 880-890 °С. Далее подача дизельного топлива прекращалась, и горение ВУТ шло самостоятельно. Переход на сжигание ВУС из Шивээ-Овооского угля («Б1») был осуществлен при температуре в топке 646 °С (таблица 11).

Пятый раздел посвящен вопросам утилизации отходов углеобогатительных фабрик. Использование в процессе получения ВУС некондиционных углей и отходов углепереработки позволяет решать вопросы ресурсосбережения. Внедрение этой технологии дает возможность вовлечь в энергоснабжение страны десятки миллионов тонн угольного шлама.

В ходе решения этой задачи была разработана новая технология приготовления ВУС, которая обеспечивала получение топлива с необходимой низшей теплотой сгорания из-за снижения зольности твердой фазы суспензии до значения не более А<1=40,0%. Это достигалось приготовлением топлива из смеси фильтр-кека и низкозольного продукта в виде промпродукта или исходного угля с обогатительной фабрики. Следует отметить, что применение промпродукта, особенно коксующихся м арок углей, в котлах со слоевым сжиганием сопряжено со значительными трудностями, обусловленными спеканием кусков угля в топке и высоким механическим недожогом. В результате промпродукт обычно используется только в качестве пылевидного топлива для котлов средней и большой мощности.

Технологическая схема приготовления ВУС из смеси промпродукта (угля) и водоугольной суспензии на основе фильтр-кека включала последовательные операции:

- перемешивание фильтр-кека с водным раствором реагента в смесителе и получение водоугольной суспензии;

- дробление промпродукта (угля) в молотковой дробилке;

- мокрое измельчение дробленого промпродукта (угля) в барабанной мельнице, при этом в качестве жидкой фазы используется водоугольная суспензия на основе фильтр-кека;

- классификацию полученного суспензионного угольного топлива на фильтре грубой очистки;

- механоактивацию готового ВУТ насосом-активатором.

Разработанная технологическая схема приготовления и сжигания ВУС опробована в условиях действующего технологического комплекса

Рисунок 12 - Элементы технологической линии: Зумпф с водоугольным топливом, питатель и реактор-смеситель.

11о этой схеме были приготовлены ВУС из смеси суспензии, полученной из фильтр-кека и промпродукта обогатительной фабрики ОФ ОАО «Междуречье» (г. Междуреченск, Кемеровская область). Для определения теплотехнических параметров сжигания такого топлива были приготовлены опытные партии ВУС, характеристики которых представлены в таблице 12.

Таблица 12 - Характеристика водоугольного топлива, приготовленного на тех-

нологическом комплексе ОАО «Междуречье»

№ п/п Наименование показателя Единица измерений Числовое значение

фильтр-кек + + промпродукт промпродукт

1 Массовая доля твердой фазы % 56,2 57,8

2 Зольность % 31,5 21,1

3 Выход летучих веществ % 23,6 22,4

4 Высшая теплота сгорания МДж/кг (ккал/кг) 33,57 (8024) 34,79 (8315)

5 Низшая теплота сгорания МДж/кг (ккал/кг) 11,52 (2754) 13,79 (3298)

6 Гранулометрический состав: +0,355 мм 0,250-0,355 мм % 2,1 0,1 1,1

0,071-0.250 мм -0,071 мм 26,2 71,7 32,9 65,9

7 Эффективная вязкость при скорости сдвига 81 с 1=20°С мПа-с 281 400

Котел ДКВР 10-13ВУТ, работающий на угле в номинальном режиме, был переведен на совместное сжигание угля и ВУС. Затем осуществлялся постепенный перевод работы котла на ВУС без использования угля.

Результаты сжигания опытных партий водоугольного топлива в котле ДКВР 10-13ВУТ приведены в таблице 13.

Таблица 13 - Результаты сжигания опытных партий водоугольного топлива

Наименование параметра Ед. изм. Режим работы котла (промпродукт + кек)

совместное сжигание с углем наВУТ

Расход угля т/ч 0,170 -

Расход ВУС м3/ч 1,17 1,34

Низшая теплота сгорания ккал/кг 6200-уголь 2668-ВУТ 2668

Паропроизводительность котла (по воде - 20% на продувку) т/ч 5,6 5,5

Давление пара атм 3,8 3,4

Количество форсунок шт 2 2

Давление сжатого воздуха атм 4,7 4,8

Температура в камере сжигания °С 1043 1010

Состав дымовых газов за воздухоподогревателем: со2 о2 СО N0, % % ррт ррт 7-10 10-14 80-200 70-190

Коэф-т избытка воздуха 1,8-2,5

Температура дымовых г азов иС 170-180"С

Анализ результатов сжигания ВУС в различных теплогенерирующих установках показал, что все полученные суспензии, даже с максимально низкими теплотехническими характеристиками (в неблагоприятных условиях), являются топливом. Показана возможность устойчивого горения ВУС из бурых углей. Следует отметить, что уровень вредных выбросов не превышает нормативные значения. Из всего перечня анализируемых полиароматических углеводородов (ПАУ) в экспериментах был обнаружен только фенантрен, который является самым стабильным углеводородом. Отсутствие ПАУ в отходящих газах можно объяснить условиями сжигания ВУС в вихревой топке. Введение паров воды в зону горения сопровождается уменьшением выхода ПАУ примерно в 3 раза. Кроме того, увеличение времени сгорания топлива от 0,24 + 0,28 с до 0,6 0,65 с приводит к разрушению 77 - 78 % ПАУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые показана возможность получения, транспортировки и сжигания ВУС из смесей углей разной степени метаморфизма в лабораторном и опытно-промышленном масштабах. Найдены условия получения ВУС с бимодальным распределением твердой фазы. Показано, что повышенная теплотворная способность и стабильность таких ВУС обусловлена этим распределением;

2. Разработана и успешно испытана в опытно-промышленном масштабе новая технология получения деминерализованных ВУС из каменных углей с легкоразмока-емой породой. Полученные ВУС можно использовать в качестве дешевой замены топочному мазуту, котельному и дизельному топливу в энергетических системах и комплексах;

3. Показано, что эффекты снижения вязкости и повышения стабильности ВУС под действием щелочных пластифицирующих реагентов обусловлены образованием водных коллоидных растворов (гелей) гуминовых кислот, а не истинных растворов их натриевых солей. Установлены возможности использования в качестве пластифицирующих агентов вторичных ресурсов;

4. Разработана и обоснована модель обобщенной неньютоновской жидкости, отличающаяся от известных учето м особенностей вязкости водоугольных суспензий в различных диапазонах скоростей сдвига и позволяющая точнее, чем известные модели, проводить гидравлические расчеты трубопроводов транспортных топливных систем. Разработанная модель позволяет определять перепад давлений в трубопроводах ВУС с точностью до 12 - 15%;

5. Установлены корреляционные зависимости реологических характеристик ВУС от таких показателей качества угля, как содержание углерода, золы, гуминовых кислот, кислородсодержащих функциональных групп и др. Предложен корреляционный метод прогнозирования свойств водоугольных суспензий по характеристикам исход-пых углей;

6. Разработаны технологические процессы и режимы приготовления и сжигания буроугольных суспензи й на основе канско-ачинских углей с содержанием твердой фазы до 42 - 52 %. Технология реализована на цементном заводе Ачинского глино-земого комбината при производительности оборудования до 220 т/ч. Показаны преимущества мокрого помола по сравнению с сухим и решены проблемы, связанные с антибатными зависимостями показателей вязкости и стабильности ВУС от продо л-жительности помола. Предложены технологические решения по гомогенизации и стабилизации суспензий, а также восстановлению вязкостных характеристик ВУС после длительного хранения и перемораживания;

7. Установлено, что применение системы плазменного воспламенения обеспечивает эффективный розжиг и стабилизацию горения ВУС;

8. Впервые п оказана возможность использования бурых углей Багануурского и Шивээ-Овооского месторождений Монголии в виде водоугольных топливных суспензий, установлена возможность их эффективного использования в распределенной малой энергетике. ВУС из этих углей может использоваться при создании совместных энергетических Российско-Монгольских систем;

9. Установлена возможность утилизации сточных, дренажных, технических вод в процессе получения ВУС из бурых углей. Разработана и реализована технология получения таких ВУС на промышленном оборудовании.

10. Разработан технологический комплекс получения и сжигания ВУС из отходов углеобогащения. П олучено водоугольное топливо на основе промпродукта и смеси промпродукта и суспензии из фильтр -кека ОФ «Междуреченская» со структурно-реологическими и теплофизическими параметрами, необходимыми для прямого сжигания в реконструированном котле ДКВР 10-13 ВУТ. Достигнута устойчивая работа котла ДКВР 10-13 ВУТ на этом топливе. Установлено, что применение этого топлива позволит снизить вредные выбросы в окружающую среду.

Основное содержание работы отражено в публикациях: монографии и учебные пособия:

1. Баранова, М. П. Физико-химические основы получения топливных вод о-угольных суспензий: монография / М. П. Баранова, В. А. Кулагин; ред. В. А. Кулагин -Красноярск: ИПК СФУ, 2011. - 160 е.;

2. Баранова, М. П. Источники и системы энергоснабжения: учебное пособие / М. П. Баранова, В. А. Кулагин - Красноярск: ИПК СФУ, 2010. - 36 е.;

Статьи, опубликованные в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК:

3. Zasypkin, I. Systems of ignition and combustion stabilization for water-coal fuel /1. Zasypkin, V. Murko, V. Fedyaev, M. Baranova // J. Thermal Science - Vol. 16. No. 4. 2012.-P. 1329-1338

4. Баранова, M. П. Комплексная технология получения и транспорта водо-угольных топливных суспензий из углей разной степени метаморфизма / М. П. Баранова // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 6 (2011 4) 613-619;

5. Баранова, M. П. Возможность использования вторичных ресурсов в технологии получения топливных водоугольных суспензий / М. П. Баранова, В. М. Ека-теринчев // Ползуновский вестник. — 2011. — № 2/1. — С. 235—238;

6. Baranova, M. P. Energy and Ecological Aspects of Coal-water Slurry Utilization / M. P. Baranova, V. A. Kulagin // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 5 (2011 4) 527-533;

7. Баранова, M. П. Природа стабилизации водоугольных топливных суспензий / М. П. Баранова, В. А. Кулагин, В. Е. Тарабанько // Журнал прикладной химии. -2011.-Т. 84. - Вып. 6.-С. 916-921;

8. Мурко, В. И. Технологии получения и сжигания топливных водоугольных суспензий из монгольских бурых углей / В. И. Мурко, В. И. Федяев, М. П. Баранова и др. // Энергетик. - 2011. - № 4. - С. 35-39;

9. Баранова, М. П. Экологически чистая технология получения водо -топливных суспензий из низкометаморфизованных углей / М. П. Баранова, Т. А. Кулагина // Безопасность жизнедеятельности. - 2010. - № 12. - С. 32-35;

Ю.Баранова, М. П. Приготовление высококонцентрированных водоугольных суспензий из см есей углей различной степени метаморфизма / М. П. Баранова, Т. А. Кулагина // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ). - 2009. -Т. 14. -№ 6. - С. 165-169;

11. Баранова, М. П. Водоугольные суспензии на основе комбинации углей обводненных месторождений Дальнего Востока / М. П. Баранова, Т. А. Кулагина // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ). - 2009. - Т. 14.-№6.-С. 149-156;

12. Баранова М. П. Экологически чистая технология топливной утилизации низкометаморфизованных углей / Т. А. Кулагина, М. П. Баранова // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ). -2009. - Т. 14. - № 6. - С. 234-238;

13. Баранова, М. П. Сжигание водоугольных суспензионных топлив из низкометаморфизованных углей / М. П. Баранова, Т. А. Кулагина, C.B. Лебедев // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2009. - № 9. — С. 12-14;

14. Борзов, А. И. Приготовление водоугольных суспензий из бурых углей с использованием различных мельничных устройств/ А. И. Борзов, М. П. Баранова // Химия твердого топлива. - 2006. - № 4. - С. 40-45;

15. Кузнецов, Б. Н. Влияние температуры на реологические характеристики во-доугольных суспензий из бурых углей / М. JI. Щипко, Б. Н. Кузнецов, М. П. Баранова // Вестник КГУ. Вып. 2. - Красноярск: КГУ, 2005. - С. 100-103;

16. Кузнецов, Б . Н . Влияние влажности бурого угля на свойства высококонцентрированных водоугольных суспензий / Б. Н. Кузнецов, М. П. Баранова // Химия твердого топлива. - 2003. - № 6. - С. 20-26;

17. Борзов, А. И. Получение стабильных водоугольных суспензий из углей Че-ремховского месторождения / А. И. Борзов, М. П. Баранова // Химия твердого топлива. - 1996. -№ 1. - С. 32-35;

18. Колесникова, С. М. Об использовании длиннопламенных углей Кузнецкого бассейна для приготовления ВВУС / С. М. Колесникова Г. Г. Бруер, С. Б. Васильев, JI. М. Космич, JI. В. Лазарева, М. П. Баранова // Химия твердого топлива. - 1995. -№ 4. - С. 3-9;

19. Бруер, Г. Г. Получение высококонцентрированных водоугольных топливных суспензий из смеси кузнецкого каменного и канско-ачинского бурого углей в опытно-промышленных условиях / Г. Г. Бруер, С. М. Колесникова, М. П. Баранова // Уголь. - 1994. - № 11. - С. 49-50;

20. Колесникова, С. М. О седиментационной устойчивости буроугольных суспензий /С. М. Колесникова, И. И. Владимцева, М. П. Баранова // Уголь. - 1994. -№2.-С. 60-61;

21. Демидов, Ю. В. Получение высококонцентрированной водоугольной суспензии из углей Березовского разреза Канско-Ачинского бассейна / Ю. В. Демидов, Г. Г. Бруер, А. И. Борзов, М. П. Баранова и др. // Химия твердого топлива. - 1993. -№ 5. - С. 78-84;

22. Демидов, Ю. В . Технология получения высококонцентрированных водоугольных суспензий на стенде производительностью Ют/ч / Ю. В. Демидов, Г. Г. Бруер, А. И. Борзов, М. П. Баранова и др. // Химия твердого топлива. - 1993. -№ 5. - С. 85-92;

23. Kolesnikova, S. М Kuznetsky deposit long-flame coal application for concentrated water-coal suspensions / S. M. Kolesnikova, G. G. Bruer, M. P. Baranova // Atom-naya Energiya 78(5): Fizika i khimiya Stekla 2-1(2). 1995. - P. 3-9;

Статьи, опубликованные в других изданиях и за рубежом:

24. Murko, V. Application of swirl combustion technique on reduction of toxic substance in coal water mixture combustion products / V. Murko, V. Fedyaev, V. Karpenok, D. Dzuyba, M. Baranova // J. Clean coal technology (Chaina), 2012.-№ 5.-C. 73-75;

25. Лебедев, С . В. Численное моделирование процесса сжигания водоугольного топливана основе угольных шламов/ С. В. Лебедев, М. П. Баранова, В. А. Кулагин // Современная наука: идеи, исследования, результаты, технологии. - Киев: «НПВК Триакон», 2012.-№1(6).-С. 24-27.

26.Fedyaef, V. I. Study on preparation of coal water mixture from rejects / V. I. Fedyaef, V. I. Murko, H. L. Inetdinof, M. P. Baranova // Clean Coal Technology. -2011.-V. 6.-P. 43^16.

27. Murko, V. I. Possibilities of coal water slurry combustion prepared from rejects in small and medium thermoelectric units / V. I. Murko, V. I. Fedyaef, V. I. Carpenok, H. L. Inetdinof, M. P. Baranova // Clean Coal Technology. - 2011. - V. 6. - P. 111-113.

28. Лебедев, С . В . Математическое моделирование процесса сжигания водоугольного топлива на основе продуктов углеобогащения / С. В. Лебедев, М. П. Бара-

нова, В. А. Кулагин // Вестник ассоциации КГТУ. Вып. 20. - Красноярск: СФУ, 2011. -С. 45-52;

29. Баранова, М. П. Получение топливных водоугольных суспензий с использованием вторичных ресурсов / М. П. Баранова, В. А. Кулагин // Современная наука: идеи, исследования, результаты, технологии. - Киев: «НПВК Триакон», 2011. - № 1 (6). - С. 3-6.

30. Баранова, М. П. Экологические аспекты утилизации шламов углеобогащения / М. П. Баранова, В. А. Кулагин, С. В. Лебедев // Вестник Ассоциации выпускников КГТУ. Вып. 18. -Красноярск: ПИК «Офсет», 2010. -С. 83-85;

31. Баранова, М. П. Водоугольное топливо на основе продуктов углеобогащения / М. П. Баранова, В. А. Кулагин, С. В. Лебедев // Вестник ассоциации КГТУ. Вып. 19. - Красноярск: ПИК «Офсет», 2010. -С. 78-80;

32. Баранова, М. П. Исследование водоугольного топлива из бурых углей / М. П. Баранова, В. А. Кулагин, C.B. Лебедев // Новости теплоснабжения. - 2010. -№7.-С. 25-28;

33. Баранова, М. П. Горение водоугольного топлива из бурых углей / М. П. Баранова, В. А . Кулагин, C.B. Лебедев // Энергосбережение и энергоэффективность экономики Кузбасса: Технологии сжигания твердого топлива, 2010. -С. 11-13;

34. Baranova, M. P. Combustion of water and coal suspendsion fuels of low-meta-morphized coals / T. A. Kulagina, M. P. Baranova, S. V. Lebedev // Chemical and Petroleum engineering. New-York: Kluwer Academic. - 2009. -Vol. 45. - № 9-10. - P. 554-557;

35. Баранова, M. П. Высококонцентрированные водоугольные суспензии из смесей углей различной степени метаморфизма / М. П. Баранова // Вестник Ассоциации выпускников КГТУ. Вып. 16. - Красноярск: Изд. КГТУ, 2008. - С. 81-87;

36. Баранова, М. П. Получение высококонцентрированных водоугольных суспензий из смесей углей различной степени метаморфизма / М. П. Баранова // Вестник Ассоциации выпускников КГТУ. Вып. 17. Красноярск: Изд. КГТУ, 2008. -С. 97-103;

37. Баранова, М. П. Особенности получения топливных суспензий из бурых углей/ М. П. Баранова // Вестник Ассоциации выпускников КГТУ. Вып. 15. - Красноярск: Изд. КГТУ, 2007. - С. 148-152;

38. Кулагин, В. А. Технология подготовки и гидротранспорта топливных водоугольных суспензий для сжигания в промышленных энергетич еских котлах /

B. А. Кулагин, М. П. Баранова // Вестник ассоциации выпускников КГТУ. Вып. 12. -Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - С. 55-60;

39. Баранова, М. П. Получение водотопливных суспензий из бурых углей / М. П. Баранова, В. А. Кулагин, А. Ю. Радзюк, Д. С. Лихачев // Труды КГТУ: научно-технический журнал Красноярского государственного технического университета. -Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006.- №2-3.-С. 108-119;

40. Баранова, М. П. Влияние пластифицирующих добавок на реологические характеристики водоугольных с успензий из углей разной степени метаморфизма / М. П. Баранова // Труды КГТУ: научно-технический журнал Красноярского государственного технического университета. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. - № 2-3-

C. 143-147;

материалы научно-технических конференций:

41. Murko, V.l. Enviromentally clean techology of fine waste coal utilization / V.l. Murko, V.l. Fedyaev, H.L. Aynetdinov, M.P. Baranova // The 17th International Coal Preparation Congress. - Turkey. - 2013. - P. 679-682;

42. Мурко, В.И. Технологические решения процессов получения и сжигания топливных водоугольных суспензий / В.И. Мурко, М.П. Баранова // Инновационные технологии в науке и образовании: труды III Международной НПК. - Улан-удэ, 2013. - С. 99-102;

43. Баранова, М.П. Стабильность нанодисиерсных б инарных топливных систем/ М. П. Баранова, В.И. Мурко // Наноматериалы и технологии. Наноструктуриро-ванные системы в физике конденсированного состояния. Техника и технология нано-материалов: труды IV Международной НПК. - Улан-удэ, 2012. -С. 4-9;

44. Баранова, М. П. Гидравлические режимы трубопровода для транспорта водоугольных суспензий / М. П. Баранова // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2012: труды IX Международной НПК. - Кемерово, 2012.-С. 185-187;

45. Баранова, М.П. Физико-химические основы теплотехнологий [Электронный ресурс]: /М.П. Баранова, В.А. Кулагин, В.А. Екатеринчев// Красноярск. - СФУ. - 2013. -170 с.

46. Мурко, В. И. Технология получения и сжигания топливных водоугольных суспензий из низкометаморфизованных монгольских углей / В. И. Мурко, И. М. Засыпкин, М. П. Баранова //Взаимодействие высококонцентрированных потоков энергии с материалами в перспективных технологиях и медицине: материалы IV Всероссийской НПК. - Новосибирск, 2011, - С. 215-219;

47. Батмонх, С. Багануур. Шивээ-овоогийн хурен нуурсээр нуурсусны су с-пензэн тулш бэлтгэх технологи / С. Батмонх, В. И. Мурко, Д. Балдандорж, М. П. Баранова и др. // Эрчим хучний уйлдвэрлэл ба экологи: Труды Международной НПК. -Улаанбаатар, 2010. - С. 106-111;

48. Батмонх С. Багануур. Шивээ-овоогийн хурен нуурсээр бэлтгэсэн нуурсусны суспензэн тулшний шаталт / С. Батмонх, В. И . Мурко, Д . Балдандорж, М. П. Баранова // Эрчим хучний уйлдвэрлэл ба экологи: Труды Международной НПК. - Улаанбаатар, 2010. - С. 136-139;

49. Баранова, М. П. Теоретические и технологические основы получения вод о-угольных топливных суспензий из низкометаморфизованных углей / М. П. Баранова // Энергетика в глобальном мире: сб. докладов первого Международного научно-технического конгресса. - Красноярск: ООО «Версо», 2010. - С. 361-368;

50. Кулагин, В.А. Получение экологически чистого топлива из продуктов у г-лепереработки / М. П. Баранова, В. А. Кулагин, С. В. Лебедев // Энергетика в глобальном мире: сб. докладов первого Международного научно-технического конгресса. -Красноярск: ООО «Версо», 2010. -С. 83-85;

51. Баранова, М. П. Закономерности формирования технологических свойств топливных водоугольных су спензий из бурых углей Дальнего Востока / М. П. Баранова // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: Труды XII Международной НПК. -Кемерово, 2010. - С. 116-119;

52. Баранова, М. П. Перспективы развития технологии получения в одоуголь-ных топливных суспензий / М. П. Баранова, В. А. Кулагин // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: материалы XI Всероссийской НПК. - Красноярск, 2010.-С. 136-139;

53. Баранова, М. П. Горение водоугольного топлива из бурых углей / М. П. Баранова, В. А. Кулагин, С. В. Лебедев // Горение твердого топлива : материалы VII Всероссийской конференции. - Новосибирск, 2009. - С. 167-169;

54. Баранова, М. П. Влияние состава твердой фазы на свойства водоугольных топливных суспензий / М. П. Баранова // Энергетическая безопасность России. Новые

подходы к развитию угольной промышленности: труды XI Международной НПК, -Кемерово, 2009. - С. 76-78;

55. Баранова, М. П. Технологические аспекты получения водоугольных топливных суспензий / М. П. Баранова, В. А. Кулагин, С. В. Лебедев // Инновационные технологии: производство , экономика , образование : Всероссийская НПК, - Бийск, 2009.-С. 58-62;

56. Тарабанько, В . Е. Механизм стабилизации водоугольных топливных суспензий / В. Е. Тарабанько, М. П. Баранова // Химия-ХХ1 век: новые технологии, новые продукты: материалы Всероссийской НПК. - Кемерово, 2009. - С. 152-154;

57. Баранова, М. П. Энергетические и экологические аспекты утилизации водоугольных суспензий из бурых углей / М. П. Баранова // VI Всероссийский семинар ВУЗов по теплофизике и энергетике ВСВТЭ. - Красноярск, 2009. - С. 6-10;

58. Баранова, М. П. Энергетические и экологические аспекты утилизации во-доугольных топливных дисперсных систем / М. П. Баранова, В. А. Кулагин, С. В. Лебедев // Наноматериалы и н анотехнологии. Наноразмерные структуры в физике ко н-денсированного состояния. Технологии наноразмерных структур: П-я Всерос. НПК с международным участием. -Улан-Удэ, 2009. - С. 154-159;

59. Тарабанько, В. Е. Стабилизация водоугольных суспензий / В. Е. Тарабанько, М. П. Баранова // Лесной и химический комплексы - проблемы и решения: материалы Всероссийской НПК. - Красноярск, 2008. - Т. 2. - С. 179-182;

60. Баранова, М. П. Трансформация бурых углей в экологически чистые топлива / М. П. Баранова, В. А. Кулагин, С. В. Лебедев / Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: материалы IX Всероссийской НПК. - Красноярск, 2008. -С. 72-75;

61. Тарабанько, В. Е. Природа стабилизации водоугольных топливных суспензий / В. Е. Тарабанько, М. П. Баранова // Техническая химия. От теории к практике: материалы Международной конференции. - Пермь, 2008. - Т. 2. - С. 299-303;

62. Баранова, М. П. Особенности получения топливных суспензий из бурых углей / М. П. Баранова // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: материалы VIII Всерос. НПК. - Красноярск, 2007, - С. 86-92;

63. Борзов, А. И. Влияние температуры на эксплуатационные параметры водоугольных суспензий из бурых углей / А. И. Борзов, М. П. Баранова // Химия - XXI век: Новые технологии , новые продукты : труды IX Междунар. НПК.- Кемерово, 2006. - С. 297-299;

64. Баранова, М. П. Получение топливных водоугольных суспензий из бурых углей с использованием отходов производств / М. П. Баранова // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности: материалы VIII Международной НПК. - Кемерово, 2006. - С. 123-125;

65. Баранова, М. П. Получение топливных суспензий из бурых углей с целью утилизации в промышленной теплоэнергетике / М. П. Баранова // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: материалы VII Всероссийской НПК. - Красноярск, 2006, - С. 10-16;

66. Баранова, М. П. Технологические аспекты процессов получения и применения водоугольного топлива / М. П. Баранова // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города: материалы VII Всерос. НПК. - Красноярск, 2006, - С. 246-252;

67. Кузнецов, Б. Н. Топливные суспензии на основе смесей углей разной степени метаморфизма / М. Л. Щипко, Б. Н. Кузнецов, М. П. Баранова // Стратегия соци-

алыю-экономического развития г. Красноярска до 2010 г.: материалы НПК. - Красноярск, 2004. - С. 351-353;

68. Баранова, М. П. Получение высококонцентрированных водоугольных суспензий из смеси бурых углей и антрацита М. П. Баранова, Б. Н. Кузнецов // Материалы III Международной НПК. -Пермь, 2005. -С. 166-169;

69. Баранова, М. П. Получение высококонцентрированных водоугольных суспензий из смеси бурых углей и антрацита / М. П. Баранова // Химия - XXI век: Новые технологии, новые продукты: труды VIII Междунар. НПК. - Кемерово, 2005. - С. 349-351.

70. Черных, С. В. Изучение технологических свойств водоугольных суспензий КАТЭКа для повышения эффективности биохимической переработки / С. В. Черных, С. И. Сидоренко, М. Н. Посадская, М. П. Баранова и др. // Основные направления открытой угледобычи и переработки КАУ: Материалы Всерос. НПК. - Красноярск, 1990.-С. 146-147;

патенты:

71. Пат. № 2378324 РФ, МПК С2 СЮЬ 1/32 Способ переработки угля с легко-размокаемой породой для приготовления деминерализованного суспензионного угольного топлива / В. И. Мурко, В. И Федяев, М. П. Баранова и др. Опубл. 10.01.2010, Бюл. № 1.

Баранова Марина Петровна Технология получения и использования топливных водоугольных суспензий из углей различной степени метаморфизма

Автореф. дисс. на соискание учёной степени доктора технических наук

Подписано в печать 11.03.2014. Печать плоская. Формат 60x84/16 Бумага офсстная. Усл. печ. л. 2,25. Тираж 100 экз. Заказ 602

Отпечатано полиграфическим центром Б ибл и отечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а Тел./факс: (391) 206-26-49; тел. (391) 206-26-67 E-mail: print_sfu@mail.ru; http://lib.sfu-kras.ru

ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» ЗАО НПП «Сибэкотехника»

На правах рукописи

05201450710

БАРАНОВА Марина Петровна

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНЫХ ВОДОУГОЛЬНЫХ СУСПЕНЗИЙ ИЗ УГЛЕЙ РАЗЛИЧНОЙ СТЕПЕНИ

МЕТАМОРФИЗМА

05.14.01 - Энергетические системы и комплексы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Кулагин Владимир Алексеевич

Москва 2014

Ol

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

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

ПРИЛОЖЕНИЕ 257

ВВЕДЕНИЕ

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-энергетичес-ком 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 водоугольных 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, су-

ществуют 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 угледобычи 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 ТАОБ по энергосбережению (1998-2000), ГНТПР России «Экологически чистая энергетика» и в соответствие с координационными планами Минуглепрома, Мин-нефтегазстроя, 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:

1. Установить зависимости технологических параметров ВУС от физико-хими-ческих и теплотехнических характеристик используемого угля;

2. Изучить возможность получения суспензий, удовлетворяющих оптимальным требованиям по зольности, содержанию твердой фазы, реологическим характеристикам и стабильности;

3. Сформулировать феноменологическую модель формирования суспензий из углей разной степени метаморфизма с учетом их структурно-реологических особенностей;

4. Определить рациональные технологические режимы получения ВУС. Обосновать технологические схемы приготовления ВУС из углей различной стадии метаморфизма. Разработать технологические процессы приготовления топливных водоугольных суспензий с использованием вторичных ресурсов и отходов различных производств;

5. 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 АшуБ, SigmaFlow и программного комплекса СОМБОЬ МиШрИуБюв. Экспериментальные 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 нижеследующем:

1. 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;

2. Выявлена природа стабилизации водоугольных топливных суспензий щелочными реагентами, заключающаяся в формировании дисперсионной среды гелей гуминовых кислот в водной фазе;

3. Разработана оригинальная модель обобщенной неньютоновской жидкости, которая позволяет более точно проводить гидравлические расчеты для трубопроводного транспорта ВУС;

4. Численными методами смоделированы режимы устойчивого горения ВУС в вихревых топках;

5. 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.

6. Установлена возможность плазменного розжига и и стабильного сжигания ВУС из бурых углей.

7. Показана и обоснована возможность получения транспортабельных ВУС на основе смесей углей разной степени метаморфизма в лабораторном, в опытно-про-мышленном 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 энергосберегающей 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 теплотехноло-гий», «Технология сжигания и переработки топлива», «Физико-химические основы теплотехнологии» 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 подтвержд