ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

Техническое решение относится к технологическим линиям приготовления и подготовки для прямого факельного сжигания в топке низкосортного углеродосодержащего жидкого топлива, преимущественно водоугольного топлива, используемого в котельных установках, топочных устройствах и других энерго-теплогенерирующих установках с обеспечением соблюдения предъявляемых к процессу сжигания экологических требований, при возможности - с обеспечением утилизации вредных отходов различных производств.
Известна технологическая линия получения жидкого композитного топлива (топливной суспензии), содержащей оборудование для приготовления, как минимум, одной водоугольной суспензии (ВУС), получаемой смешиванием, по крайней мере, одного вида измельченного угля с водой, смешиваемой как минимум с одним жидким топливом и, по крайней мере, с одним коллоидным раствором, который получают смешиванием как минимум одного вида измельченного торфа с водой, при этом смешивание всех компонентов производят в любой комбинации по отношения друг к другу (RU №2151959, 1999 г.).
Недостатком известной технологической линии является сложность производства топливной суспензии, которая определяется четырехкомпонентным составом топливной суспензии (угля, жидкого
топлива, торфа и воды). В этой композиции стабильность свойств топливной композиции, в основном, обеспечивается коллоидным раствором торфа, высокая теплота сгорания жидким топливом (нефтью или мазутом), а уголь является топливной составляющей с примерно средней теплотой сгорания между торфом и жидким топливом. Вода является несущей средой для всех трех видов топлив и является компонентом, играющим основную роль в снижении вредных выбросов при сжигании топлива. В общем случае, из-за изменения характеристик сырья, в первую очередь угля по содержанию минеральной части, соотношения между компонентами в процессе производства топливной композиции постоянно будут изменяться, что усложняет технологию производства топлива. Высокая стоимость топливной композиции связана с использованием в качестве жидкого топлива продуктов нефтепереработки, стоимость которых значительно выше стоимостей угля или торфа.
Известна технологическая линия получения водоугольного топлива, содержащая оборудование для дозированной подачи предварительно дробленного угля, реагента-пластификатора и воды на мокрое измельчение в мельницу с получением суспензии, классификацию полученной суспензии по крупности на надрешетный продукт и подрешетный продукт, разделение суспензии на два потока, циркуляцию надрешетного продукта классификации вместе с одним из потоков на измельчение, подачу второго потока в емкость готового водоугольного топлива (Заявка JP A63 - 17990, 1988 г.).
Исследование процесса мокрого измельчения угля, осуществляемого в данной технологической линии, показало, что в процессе измельчения глинистые породы, входящие в состав минеральной части угля, быстро превращаются в частицы микронных размеров, водная суспензия которых проявляет коллоидные свойства, обеспечивая стабильность водоугольной суспензии в целом. Микронные частицы угля в значительно меньшей степени проявляют эти свойства. Поэтому, при уменьшении зольности
исходного угля, приводящего к снижению количества глинистых частиц микронных фракций и, как следствие, уменьшению стабильности и эффективной вязкости водоугольных суспензий, для обеспечения стабильности свойств водоугольных суспензий используют специальные реагенты-пластификаторы.
Известна технологическая линия получения водоугольного топлива, включающая оборудование подачи исходного материала, соединенное с измельчающим устройством, сепаратор, тракт готовой продукции, тракт возврата крупных частиц в измельчающее устройств, два пульпообразователя, дополнительное измельчающее устройство для селективного измельчения, обогатительный аппарат и вакуум-насос, при этом сепаратор выполнен в виде двух последовательно установленных тонкослойных сгустителей, один из которых связан на входе посредством насоса с первым пульпообразователем и соединен на выходе с дополнительным измельчающим устройством, а другой сообщен с двумя пульпообразователями, которые связаны между собой, последний из них имеет фильтр и связан с вакуум-насосом и трактом подачи готового топлива на сжигание, при этом обогатительный аппарат сообщен с дополнительным измельчающим устройством, вторым тонкослойным сгустителем и отвалом пустой породы (RU №2080519, 1997 г.).
Недостатком известной технологической линии является ограниченность области его применения и цикличность действия. Ограниченность области применения определяется условиями, которые рассматривались выше. Цикличность действия системы связана с необходимость периодической очистки ее проточной части от мелкодисперсного шлама микронных фракций, т.к. частицы размером 0-0,005 мм, содержащиеся в сливе второго тонкослойного сгустителя, направляют на рециркуляцию в первый пульпообразователь. Отсюда следует, что, так как микронные фракции не выводятся из технологической цепочки ни в составе готового водоугольного топлива, ни с отвалом пустой
породы, с течением времени произойдет их накопление, что потребует ее остановки и чистки.
Наиболее близким к заявляемой технологической линии, по своей технической сущности, является линия приготовления водоугольной суспензии, включающая оборудование для дозированной подачи предварительно дробленного угля, воды и реагента - пластификатора на мокрое измельчение в мельницу с получением суспензии, оборудование для классификации полученной суспензии по крупности на надрешетный продукт и подрешетный продукт, оборудование для разделения суспензии на два потока, циркуляции надрешетного продукта классификации вместе с одним из потоков на измельчение, измерение зольности угля в полученной в мельнице суспензии, последующем разделении суспензии на два потока непосредственно после мокрого измельчения с последующей подачей одного из потоков на классификацию, а другого потока после смешивания с надрешетным продуктом классификации - на циркуляцию на стадии мокрого измельчения при величине количества второго потока, обратно пропорциональной зольности угля в суспензии (RU №2027744, 1991 г.).
d
d
..
..
d
d
Недостатки известной технологической линии связаны с недостаточно высокими потребительскими свойствами полученной на ней водоугольной суспензии, повышенными энергозатратами на ее приготовление по следующим причинам. Из экспериментальных данных, представленных в качестве примера реализации известной технологии, следует, что из угля марки Д при зольностях А=10% и А=17% получены водоугольные суспензии с массовой долей твердого (угля) 59,9% и 60,1% и эффективной вязкостью 1110 мПа с и 1350 мПа с, соответственно. При практически постоянной массовой концентрации угля, изменяющейся в пределах 0,3%, вязкость возрастает в 1,22 раза, что приведет к такому же росту в 1,22 раза энергозатрат на перекачку ВУС. Аналогично, для угля марки Д получено, что: при А=10% и А=17% приготовлены водоугольные суспензии с массовой долей твердого (угля) 60,2% и 60,4% и эффективной вязкостью
..
..
d
d
d
d
d
d
d
o
o
o
o
1080 мПа с и 1264 мПа с, соответственно. При практически постоянной массовой концентрации, изменяющейся в пределах 0,3%, вязкость возросла в 1,17 раза. Отметим также, что увеличение вязкости ВУС ухудшает ее распиливание, поскольку возрастает размер капель, что ухудшает процесс сжигания ВУС. Как указано, величина количества (массовый расход) второго потока обратно пропорциональна зольности угля в суспензии. В описании изобретения в расчетной формуле эта величина пропорциональна отношению (А /А), где: А  - минимальное значение зольности угля, обеспечивающее стабильность ВУС для выбранного реагента - пластификатора, А - величин текущего значения зольности угля в суспензии. В рассмотренных примерах величина A =12%. Отсюда следует, что при А≥A  суспензия стабильна и нет необходимости доизмельчать часть готовой ВУС. Однако, на рециркуляцию, всегда, наряду с надрешетным продуктом, который нуждается в повторном измельчении, направляется и часть подрешетного продукта. В этом случае происходит не только измельчение надрешетного продукта, но и переизмельчение подрешетного продукта, готовой водоугольной суспензии, что приводит к росту общих энергозатрат на измельчение и ухудшению вязкостных свойств ВУС. Причем доизмельчается не столько минеральная часть угля, имеющая меньшую крупность, а в большей мере его органическая часть. В расчетной формуле, приведенной в описании изобретения, входящие в нее эмпирические коэффициенты, зависящие от марки угля, изменяются в 2-3 раза. При этом, измерение зольности после измельчения в мельнице мокрого помола лишено технического смысла по двум причинам. Во-первых, - на установившемся режиме зольность водоугольной суспензии на выходе из мельницы однозначно определяется зольностью материалов, поступающих на вход мельницы (угля, воды, пластификатора и части водоугольной суспензии, поступающей на циркуляцию), то есть является расчетной величиной. Поэтому с равным успехом измерение зольности может быть проведено на входе в мельницу. Во-вторых, - измерения зольности водоугольной
суспензии проводят сразу после мельницы, то есть по существу, полученная суспензия является промежуточным продуктом, из которого в последующем удаляется надрешетный продукт. Поскольку в патенте отсутствуют, какие-либо рекомендации по связи измеренной зольности промпродукта и зольности готовой ВУС, необходимы специальные экспериментальные исследования, доказывающие тождественность или близость этих и других, связанных с зольностью контролируемых величин (стабильности и эффективной вязкости).
Задачей является повышение технической эффективности (увеличение стабильности) и уменьшения энергозатрат на получение водоугольной суспензии, используемой в качестве топлива в теплоэнергетических установках.
d
d
o
Достигается это тем, что в технологической линии приготовления водоугольного топлива, содержащей установленные в технологической последовательности мельницу мокрого помола для приема отдозированного количества воды и угля, соединенную трубопроводом подачи полученной водоугольной суспензии с классификатором, винтовой насос для возврата надрешетного продукта в мельницу, и измеритель зольности для подрешетного продукта, - упомянутый измеритель зольности связан с установленным после него делителем в заданном соотношении потока подрешетного продукта на три части, первая из которых - при соблюдении условия А/А , ≥1 - направляемая посредством трубопровода непосредственно в резервуар готового водоугольного топлива,
d
o
где: А  - минимальное значение зольности угля, обеспечивающее стабильность водоугольной суспензии,
d
А - величина текущего значения зольности угля в суспензии,
d
d
o
вторая - направляемая непосредственно в смеситель, выход из которого соединен с резервуаром готового водоугольного топлива, а оставшаяся третья часть представляет собой поток, направляемый при соблюдении условия А/А , <1 в высокоэнергонапряженное измельчительное
устройство, выход которого соединен со смесителем. При этом, в технологической линии приготовления водоугольного топлива использована мельница мокрого помола с возможностью измельчение угля до класса крупностью "-250 (-500)" мкм при одновременном перемешивании с водой.
Использование высокознергонапряженных измельчительных устройств, воздействующих на обрабатываемое вещество на молекулярном уровне, следствием чего является механо-химическая активации поверхности раздробленных частиц. В случае обработки угольных частиц, это приводит к повышению структурообразующих свойств доизмельчаемой части подрешетного продукта и, соответственно, сокращением его количество, подаваемого на доизмельчение. При последующем смешении доизмельченной части подрешетного продукта с его остальной частью получают готовое ВУТ.
Направление на циркуляцию на стадию мокрого измельчения только надрешетный продукт, снижает энергозатраты на измельчение, поскольку уменьшается масса материала, направляемого в мельницу мокрого помола, что эквивалентно повышению производительности мельницы.
Измерение зольности (массы золы, определяемой в установленных стандартом условиях и отнесенной к единице массы угля (ГОСТ 17070-87 ("Угли. Термины и определения")) подрешетного продукта характеризует суспензию, которая является или готовым продуктом (при соответствии необходимых показателей по стабильности и эффективной вязкости) или суспензией, свойства которой должны быть доведены до заданных показателей по стабильности. Это также приводит к снижению энергозатрат на приготовление водоугольной суспензии. Например, если ВУС удовлетворяет требованиям, предъявляемым к готовой ВУС на дополнительное доизмельчение в высокоэнергонапряженное устройство ничего не направляют. Доизмельчение части подрешетного продукта не является обязательным элементом технологии приготовлении ВУС, а его проводят только в случае необходимости доведения свойств ВУС до
заданных показателей по стабильности и эффективной вязкости, если текущее значение зольности меньше минимального значения зольности угля, обеспечивающего стабильность ВУС, что также снижает общие энергозатраты на приготовление ВУС.
В качестве высокоэнергонапряженных измельчительных устройств используют гидродинамические мельницы (дезинтеграторы, кавитаторы и т.п.), обеспечивающие механо-химическое воздействие на поверхность измельчаемого материала. Кроме того, весьма существенным является отказ от использования реагента - пластификатора, который подбирается для каждой марки угля индивидуально и увеличивает стоимость готового ВУС.
Таким образом, в процессе приготовления ВУС используют информацию о текущей зольности подрешетного продукта, на основании которой вырабатывают управляющее решение о направлении на дополнительное доизмельчение его части. При этом, в качестве исходной информации, при выработке управляющего решения, используют опытные данные по зависимости контролируемых свойств ВУС (стабильности и эффективной вязкости) от зольности и доли доизмельченной части надрешетного продукта, зависящие от индивидуальных свойств используемого угля и используемого высокоэнергонапряженного измельчительного устройства.
На фиг.1 изображена технологическая линия для приготовления водоугольного топлива.
Основными элементами технологической линии являются: мельница мокрого помола 1, классификатор 2, винтовой насос 3, измеритель зольности 4, делитель потока 5, высокоэнергонапряженное измельчительное устройство 6, смеситель 7, резервуар готовой суспензии готового (кондиционного) топлива 8, соединительные трубопроводы 9-16.
Технологическая линия работает следующим образом. Предварительно дробленный уголь и воду дозировано подают в мельницу мокрого помола 1. В мельнице происходит измельчение угля до класса крупностью "-250 (-500)"
d
d
d
d
o
o
мкм с одновременным перемешиванием с водой. Из мельницы 1 полученная суспензия поступает на классификатор 2. Возврат (циркуляцию) надрешетного продукта, содержащего частицы угля класса крупностью "+250 (+500)" мкм выполняют винтовым насосом 3, направляя его по трубопроводу 10 на повторное измельчение в мельницу мокрого помола 1. Подрешетный продукт по трубопроводу 11 направляют в измеритель зольности 4 и далее по трубопроводу 12 в делитель потока 5. Если в результате измерений зольности величина А/А , ≥1, то система управления (на чертеже не показана) принимает решение, что качество суспензии соответствует требованиям готовой продукции и ее по трубопроводу 13 направляют в резервуар готовой продукции 8. Если величина А/А , <1, то система управления, принимает решение, что часть подрешетного продукта по трубопроводу 14 направляют на доизмельчение в высокоэнергонапряженное измельчительное устройство 6, который после доизмельчения по трубопроводу 16 направляют в смеситель 7. Оставшаяся часть подрешетного продукта по трубопроводу 15 также поступает в смеситель 7. Из смесителя 7 водоугольная суспензия по трубопроводу поступает в резервуар готовой продукции 8.
d
o
Пример. Водоугольную суспензию готовили из смеси кузнецких углей марок Д (70%) и Г (30%), прошедшей термическую обработку дымовыми газами при температурах до 120°С. Гранулометрический состав исходного угольного порошка следующий: +200 мкм - 7,8%, +20 мкм - 78,5%. Величина А =13%. В качестве высокоэнергонапряженного измельчительного устройства использовался гидравлический дезинтегратор.
Проведенные тестовые экспериментальные исследования показали, что при приготовлении ВУС из исходного порошка без использования реагентов-пластификаторов была получена суспензия с содержанием твердого 50-54%, масс., устойчивая к расслоению в течение нескольких часов с постепенным образованием резиноподобного, плохо перемешивающегося с водой осадка. При добавлении традиционных реагентов-пластификаторов
НФУ или УЩР, использованных в прототипе для углей тех же марок, образование осадка ускорялось и составляло десятки минут. Отсюда следовало, что способ приготовления ВУС, описанный в прототипе, не применим к углям, прошедшим термообработку. Поэтому в дальнейших опытах испытания проводились без добавления реагентов-пластификаторов.
В Таблице приведены результаты приготовления ВУС по способу, описанному в прототипе, и способу, реализуемому предлагаемой технологической линией.
Из данных, приведенных в Таблице следует, что при одинаковой доле угля, направляемого на доизмельчение, доизмельчение в дезинтеграторе обеспечивало получение значительно более стабильной суспензии, по сравнению с доизмельчением в шаровой мельнице, которое используется в прототипе.
Таблица
Показатели
Единицы измерения
Технология прототипа
Предлагаемая технология
А<sup>d</sup>
%
11,4
11,4
φ
%
100
47
100
47
Массовая доля твердого в ВУС
%
50
54
50
54
Грансостав угля в ВУС:
мкм
0
2,3
0
2
+200
35
51,4
45
57,3
+20
Текучесть
текучая
текучая
Стабильность
сутки
14
5
>150
>14
Удельные энергозатраты на измельчение
кВт ч/т
105
49
79
37
Аналогичные результаты были получены и на антраците.
Таким образом, из рассмотренного примера следует, что доизмельчение в высокоэнергонапряженном измельчительном устройстве снижает количество суспензии, направляемой на доизмельчение, позволяет отказаться от применения дорогостоящих реагентов-пластификаторов при получение ВУС и уменьшает общие энергозатраты на приготовление водоугольного топлива, что упрощает технологию приготовления и уменьшает стоимость готового топлива.
Предлагаемая технология производительностью 1.5 т/час была опробована с достижением положительного результата на опытном полигоне ФГУП НПО "Гидротрубопровод".