ЖИДКОЕ УГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО
LIQUID COAL FUEL

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к области получения жидких топлив из твердого топлива для сжигания в топках котлов теплоэлектростанций. Изобретение ориентировано на получение жидких топлив из малокалорийного твердотопливного сырья - низкокачественного каменного угля, бурого угля, торфа - и продуктов его термического передела.
Технологии ожижения твердых топлив развиваются с начала двадцатого века и основаны на создании тонкодисперсных систем типа суспензий, в которых твердые углеродсодержащие частицы взвешены в жидкости. С середины двадцатого века в качестве жидкой фазы суспензий стали широко применять воду, и если в качестве твердой фазы использовались частицы угля, то приготовленное топливо получило название водоугольного топлива (ВУТ).
Наиболее полно сведения о ВУТ изложены, например, в источниках: Круть А.А. Водоугольное топливо. -М.: Мысль, 2002-169 с.; Мурко В.И. Физико-технические свойства водоугольного топлива. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2009 - 195 с.
Характеризуя ВУТ, представляют реологические (вязкость, напряжение смещения), седиментационные (сохранение однородности в статических и динамических условиях) и топливные (энергетический потенциал, полнота выгорания органических соединений) характеристики, сведения о содержании угля, золы, летучих и гранулометрическом составе угля.
Для приготовления ВУТ обычно применяют высококачественные энергетические угли с низким содержанием серы и золы. С освоением технологий ВУТ стали появляться технические предложения по применению другого, менее качественного, сырья.
Известен состав ВУТ, включающий уголь, жидкое топливо и воду (SU 278944). Недостаток данного топлива заключается в малой стабильности полученной суспензии и быстром износе распыливающих форсунок в горелках котла.
Известно ВУТ, полученное из бурого угля путем его гидрогенизации с использованием отдельных продуктов реакции того же процесса (RU 2110553). Недостатком этого топлива является его высокая стоимость, обусловленная сложностью технологии его получения, длительностью технологического процесса, низкой производительностью за счет необходимости проведения гидрогенизации угля, которая ведется периодически в автоклаве, длительное время, с использованием катализаторов, ультразвуковой обработкой, при высоком давлении и высокой температуре.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является жидкое угольное топливо, представляющее дисперсную систему из твердого (полукокс) и жидкого (смольная фракция) продуктов термического передела бурого угля или торфа, с переведением суспензии полукокса в золь, а затем в гель (RU 2446202).
Недостатком такого жидкого угольного топлива являются его реологические свойства, требующие включения в топливную схему насосов второго подъема для создания избыточного давления топлива на форсунке и применения дополнительных подогревателей топлива перед его сжиганием, а также относительно высокая стоимость топлива, обусловленная низким выходом годного продукта в процессе пиролиза и энергозатратным и низкопроизводительным процессом золо- и гелеобразования.
Поставлена задача - улучшить реологические свойства жидкого угольного топлива, сохранив его безабразивность, и снизить его стоимость.
Сформулированная задача решена следующим образом.
Жидкое угольное топливо, состоящее из тонкодисперсной смеси твердой части в виде микрочастиц полукокса/кокса и жидкой части в виде смольной фракции, полученных после термического передела угля-сырца, отличающееся тем, что тонкодисперсная смесь представляет собой двойную суспензионно-эмульсионную систему, в которой в качестве твердой части используют совместно микрочастицы угля-сырца и продукты его термического передла в виде микрочастиц полукокса/кокса, а в качестве жидкой части используют жидкие продукты термического передела того же угля-сырца, при этом смольная фракция используется для капсулирования групп твердых микрочастиц угля-сырца и полукокса/кокса микрокапли эмульсии, а подсмольная вода используется в качестве дисперсной среды.
Пояснение предложенного технического решения проведем с использованием следующих дефиниций используемых терминов:
Тонкодисперсная система - взвесь мелких частиц в среде.
Суспензия - взвесь твердых мелких частиц в жидкости.
Эмульсия - взвесь жидких мелких капель в жидкости.
Золь - промежуточная тонкодисперсная система между истинным раствором и грубодисперсной системой - взвесью.
Гель - взвесь жидких мелких частиц в твердом теле.
Уголь-сырец - добытый, обогащенный, измельченный каменный/бурый уголь или торф.
Предложенное решение уменьшает вязкость ЖУТ, делает его минимально абразивным, более дешевым и при этом более калорийным чем традиционное ВУТ.
При соотношении твердого к жидкому Т:Ж~3:1 и тонине помола угля более 30 мкм, характерным для ВУТ, вязкость ЖУТ и его абразивность, при прочих равных условиях, во много будут зависеть от характера взаимодействия частиц угля в потоке ВУТ и со стенками распыляющей форсунки. Зацепляясь острыми краями друг за друга и металл, частицы угля будут оказывать механическое воздействие друг на друга и на внутреннюю поверхность сопла форсунки, повышая силу сцепления слоев жидкости в потоке и пристеночном слое. Типичное значение вязкости ВУТ лежит в диапазоне 1000÷1200 мПА/с.
Опыт использования ВУТ в 1985-1995 гг.на Новосибирской ТЭЦ-5 показал, что первые форсунки камер сгорания топочных котлов служили не более 40 часов из-за абразивного износа.
В прототипе уменьшение абразивности ЖУТ достигнуто за счет повышения вязкости топлива и вывода из его состава золы полукоксования. При этом размер частиц полукокса был уменьшен с 20 км до 1÷1000 нм в составе золя, что за счет броуновского движения частиц между слоями текущего ЖУТ повышало межслоевое сцепление. А последующий перевод золя в гель, фактически в полустуденистую массу, требует при создании условий для распыления ЖУТ его подогрева и повышенного давления при подаче на форсунку. Возможно, более оптимальным способом сжигания такого топливного геля будет струйное сжигание в кипящем слое нагретого инертного материала.
В предложенном изобретении твердые углеродсодержащие частицы имеют размеры 3-5 мкм и они включены в капельки жидкой фазы эмульсии размерами 6-10 мкм, которые во взвешенном состоянии имеют форму шара и при движении ЖУТ выполняют роль шарикоподшипников качения при трении слоев ЖУТ между собой и стенкой форсунки, изолируя твердые частицы от механического взаимодействия между собой и металлом форсунки, снижая вязкость и абразивность ЖУТ.
С целью снижения удельной стоимости ЖУТ в состав ЖУТ наряду с углем-сырцом вводятся все продукты термического передела этого же угля-сырца-кокс/полукокс, смольная фракции и подсмольная вода - в качестве генетически связанных компонентов тонкодисперсной системы. Этот шаг расширяет количественный, качественный и ценовой диапазон выпуска ЖУТ, особенно из местного сырья. При этом достигается и дополнительный, экологический, эффект - если подсмольная вода не используется в качестве ценного химического сырья, пригодного для выделения таких продуктов, как уксусная кислота, аммиак и фенолы, то она представляет ядовитую опасность для окружающей среды и человека, которая уничтожается при сжигании ЖУТ.
Присутствие золы в коксе/полукоксе не влияет на абразивность ЖУТ по вышеупомянутой причине - капсулировании частиц в микрокапельках смольной фракции, но приносит дополнительный экологический эффект за счет извлечения летучих (германий, галлий) и нелетучих редких элементов, редкоземельных металлов после высокотемпературной (760-1260°C) обработки твердых частиц ЖУТ в камере сгорания.
Приведем пример возможного использования изобретения, основанный на сведениях, полученных авторами (2001-2014 гг.) и сотрудниками Теплоэнергетического факультета Томского политехнического института (1997-2014 гг.), ООО «Научно-производственное предприятие «БИОТОП» (2001-2002 гг.) и Новокузнецкого государственного научно-производственного предприятия «ЭКОТЕХНИКА» (2002-2005 гг.) об угле-сырце Таловского буроугольного месторождения Томской области и продуктах его пиролиза в лабораторных исследованиях и опытных испытаниях керневого материала.
При следующих характеристиках таловского бурого угля-сырца:
d
- зольность A, %: 20…30;
t
- рабочая масса топлива, %: W′ =40,7; А′ =14,6; S =0,2; С =29,5; Н =2,2; N =0,6; O =12,2;
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>t</mi><mi>r</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Q</mi><mi>t</mi><mi>d</mi></msubsup></mrow>
- теплота сгорания, МДж/кг:
=10,0;
=16,9;
daf
- выход летучих, V =59,8;
- размер частиц, мкм: 3…5
и продуктов пиролиза таловского бурого угля-сырца:
- выход продукта в пересчете на 1 т абсолютно сухого бурого угля-сырца:
- таловский полукокс - 44%;
- таловская смольная фракция - 20%;
- -таловская подсмольная вода - 16%;
- таловский газ пиролиза - 11,4%;
- потери - 8,6%
- таловский полукокс имеет калорийность 4500…5500 ккал/кг;
- таловская смольная фракция - аналог топочного мазута марки M4O с калорийностью 5000…10000 ккал/кг и содержанием серы от 0,08 до 0,15%;
2
2
2
4
2
4
2
3
- таловский газ пиролиза калорийностью 5000…5600 ккал/кг и составом, в %: Н - 13,8; N - 13,2; СН - 3,5; O - 1,2; CH - 17; СО - 7,9; (HS+CO) - 43,4. Исходя из результатов лабораторных опытов, промышленное ЖУТ будет характеризоваться нижеприведенными оценочными параметрами (при использовании вибромельницы ВМ-200 и гомогенизатора ГУУМП):
- содержание таловского бурого угля-сырца и/или полукокса, %: 55…65;
- содержание таловской смольной фракции, %: 15…25;
- содержание таловской подсмольной воды, %: 20…30;
- размер твердых углеродсодержащих частиц, мкм: 3…5;
- размер жидких капель эмульсии, мкм: 6…10;
- вязкость, мПа/с: 800…1000;
- низшая теплота сгорания, ккал: 3500…5500;
- зольность, %: 6…12;
- содержание серы, %: менее 0,08;
- стоимость топливной составляющей 1 Гкал, руб.: около 300.
Таким образом, заявленное жидкое угольное топливо обеспечивает технический результат, состоящий в получении тонкодисперсной системы, имеющей небольшую вязкость, малую абразивность, более низкую стоимость топливной составляющей и позволяющей при форсуночном сжигании длительное время эксплуатировать форсунки, получать факел хорошего распыла, исключить из топливной схемы насосы второго подъема и дополнительные топливные подогреватели.