ВУТ (водоугольное топливо) и возможность диверсификации энергоносителе

Диверсификация энергоносителей для Украины, несомненно, является одним из наиболее перспективных направлений решения вопросов энергообеспечения страны. Использование биологических методов переработки органического сырья с получением биогаза и биодизеля в силу различных причин не получило в нашей стране серьезного развития. К примеру, нельзя оправдать то, что Украина фактически становится сырьевым придатком Германии, выращивая на огромных площадях рапс для немецких производителей биодизеля и не имея при этом ни одного серьезного производства этого вида топлива в своей стране. Действительно, пока с учетом относительно высокой цены рапса на мировом рынке фермерам выгодно производить рапс на продажу за пределы страны, но с учетом простоты производства было бы гораздо выгоднее перерабатывать его на биодизель в своей стране. А кто оценил уменьшение при такой аграрной политике посевных площадей под продовольственные культуры, невозможность быстрого восстановления плодородия земли после выращивания на ней рапса?

Есть и другие направления решения задачи диверсификации энергоресурсов, которым трудно дать обоснование. К примеру, в стране, имеющей мощный аграрный сектор и огромное количество недостаточно используемых в качестве дополнительных альтернативных источников энергии органических отходов растениеводства и животноводства, активно занимаются производством микроводорослей, которые, якобы, станут дешевым сырьем для производства биодизеля. При этом забывают, что фотохимический синтез сам по себе достаточно энергоемкий процесс, а основная пища микроводорослей – двуокись углерода должна быть либо извлечена из воздуха (с затратой огромного количества энергии для этого), либо производство микроводорослей должно быть жестко привязано к тепловым электростанциям.

В то же время, давно пора обратить серьезное внимание на два перспективные для нашей страны вида органических энергоресурсов. Речь идет об использовании взамен традиционных, но дорогих и дефицитных, природного газа и нефтепродуктов, так называемого, водоугольного топлива (далее ВУТ) и отработанного активного ила (ОАИ) очистных сооружений муниципальных сточных вод. Возможность приготовления ВУТ из углей практически любых марок от длинно-пламенных и газовых до слабоспекающихся и даже антрацитов и бурых, из угольного штыба и шлама, из угля, извлеченного из шлака и золы уноса тепловых электростанций, из торфа давно доказана и ни у кого не вызывает сомнения. Экологическая целесообразность этого направления усиливается тем, что для приготовления ВУТ может быть использована не только речная вода, но и канализационные стоки, вода угольно-шахтных предприятий и промышленные сточные воды. ВУТ не случайно все чаще называют “жидким углем”, так как он содержит до 70% органической составляющей (остальное – вода и незначительное количество, до 1% пластификатора). При этом все большее количество исследователей склоняются к мысли, что и вода активно участвует в процессе сжигания и не только в качестве инертного носителя органической составляющей топлива. Показано, что температура воспламенения ВУТ - 450-650°C; температура горения - 950-1050°С. ВУТ, в самом деле, обладает всеми технологическими свойствами жидкого топлива: транспортируется в авто- и железнодорожных цистернах, по трубопроводам, в танкерах и наливных судах, хранится в закрытых резервуарах, сохраняет свои свойства при длительном хранении и транспортировании. Есть у него еще одно неоценимое преимущество – он взрыво- и пожаробезопасен. По физическим свойствам ВУТ близко к мазуту, используемому в теплогенераторах, поэтому ВУТ может быть использовано для выработки тепла и электричества на газомазутных и угольных ТЭС аналогично газу и мазуту.

В начале 70-х годов в результате мирового нефтяного кризиса разработки ВУТ начались в таких странах, как Япония, США, Италия. Однако, после стабилизации цен на нефть в 80-х годах эти разработки существенно замедлились. Новая волна разработок в области ВУТ началась в начале 90-х годов. В СССР в 1989 году под руководством ФГУП «Гидротрубопровод» был разработан и даже построен углепровод Белово-Новосибирск протяжённостью 262 км. Водоугольное топливо производилось на обогатительной шахте в Белово, после чего транспортировалось по углепроводу до Новосибирской ТЭЦ-5, где успешно сжигалось. Опыт эксплуатации Новосибирской ТЭЦ-5 показал техническую эффективность применения ВУТ на газомазутных котлах в качестве замены мазуту. В 1993 году в результате наступивших в России экономических и политических перемен углепровод был остановлен и технология ВУТ начала возрождаться в России только с 2004 года при поддержке частного капитала. Экономическая эффективность ВУТ по сравнению с мазутом была показана ещё в начале 90 – х годов при сравнительно невысоких ценах на нефть. Сейчас в условиях катастрофического роста цен на мазут и газ экономическая эффективность ВУТ становится всё более актуальной.

Экологичность ВУТ подтверждается практически полным выгоранием частиц угля в ВУТ, при этом вредные газообразные выбросы в атмосферу минимальны и сопоставимы с выбросами при сжигании газа. Зола, получаемая от сжигания ВУТ, имеет вспученный характер и применяется в строительстве.В настоящее время широкое использование ВУТ в Украине сдерживается не отсутствием компонентов для его приготовления, а необходимостью решения ряда не столько научных, сколько инженерных вопросов его производства и использования. Основными из них являются:
• Дробление органического сырьяс последующим более тонким измельчением до фракции приблизительно 200 мкм и меньше,
• Смешение компонентов ВУТ, усреднение и гомогенизация суспензии,
• Активация ВУТ наложением ультразвуковых колебаний,
• Защита оборудования от эрозионного износа,
• Создание форсунок и горелок, учитывающих особенности кинетики сжигания ВУТ, содержащего твердые частицы.

Рассмотрим направления и некоторые конкретные средства и методы решения этих задач. Обычно для мокрого помола и приготовления ВУТ используют вибромельницы угля. Однако, нам представляются более перспективными для этого менее энергоемкие мельницы ударного типа. Вопросы создания оборудования, использующего именно это направление для высокоэффективного измельчения твердых материалов, успешно решеныв ряде научных центров Украины, к примеру,  учеными кафедры “Детали машин” Украинского государственного химико-технологического университета и достаточно хорошо освещены в литературе.

Высокоэффективное смешение компонентов ВУТ, как показали наши исследования, целесообразно проводить в прямоточном аппарате с многократной инверсией фаз, обеспечивающем высокоэффективное смешение газа (пара) с водоугольной пылью (или торфом, отработанным активным илом и т.п.) и водой, дополнительное диспергирование твердой фазы и стабилизацию суспензии перед подачей на сжигание. При прямоточном восходящем режиме движения трехфазного потока (твердая фаза, вода, воздух) через секции, образованные поперечно секционирующими аппарат тарелками, снабженными клапанными эжекционными контактными элементами, обеспечивающими высокую гибкость аппарата (способность работать в широком диапазоне изменения нагрузок и режимов), обеспечивается режим полного перемешивания в каждой секции аппарата и режим полного вытеснения в целом по аппарату. Явление инверсии фаз в каждой секции аппарата заключается в том, что в барботажной зоне относительно сплошной фазой является суспензия, а дисперсной – воздушные пузыри. Кроме барботажной зоны, в каждой секции аппарата образуется сепарационная зона, где сплошной фазой уже является воздух, а дисперсной – капли и струйки уносимой воздухом в вышележащую секцию суспензии. Таким образом, фазы как бы меняются ролями, что и называют инверсией фаз. Эта инверсия также способствует хорошему смешению и дальнейшему измельчению твердой фазы.

Хорошее смешение фаз обеспечивается режимом многократной циркуляции жидкости через эжекционные контактные устройства, а дополнительное измельчение – за счет ввода в каждую секцию аппарата перегретого водяного пара в импульсном режиме. При конденсации паровых пузырей, в относительно холодной суспензии, происходит их «схлопывание», которое способствует появлению в суспензии частотно-модулированных колебаний, стабилизирующих и активирующих суспензию. Это техническое решение сродни использованию во многих более ранних работах по созданию ВУТ кавитационных технологий. Известно, что кавитация (от лат. cavitas — пустота), образование в капельной жидкости полостей, заполненных газом, паром или их смесью (так называемых кавитационных пузырьков, или каверн). Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения (в реальной жидкости оно приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре). Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитацию называют гидродинамической, а если вследствие прохождения акустических волн — акустической.

Предложенная нами установка с прямоточным аппаратом многократной инверсии фаз и импульсным вводом перегретых водяных паров в каждую секцию аппарата позволяет создать эффекты, аналогичные кавитационным, без использования высоких скоростей потоков (создание которых требует больших затрат энергии) или генерирования в обрабатываемой среде ультразвуковых колебаний с помощью дорогостоящей техники. Кроме того, использование ИМПУЛЬСНОГО ввода перегретых водяных паров позволяет создать не только аналогичные кавитационным колебания но и обеспечить их модулирование. Последнее обеспечивает устойчивось колебаниям при прохождении через дисперсную среду и обработку всего объема каждой секции аппарата с минимальной потерей энергии для этого.Преимуществом предлагаемого технического решения является также то, что высокоинтенсивные режимы работы, высокие скорости потоков фаз (до 2,5 м/сек по воздуху и до 120 м/час по суспензии ), циркуляция суспензии через эжекционные клапанные устройства, соударение потоков фаз при эжекции, сильные турбулизационные эффекты при вводе в холодный поток перегретых водяных паров способствуют эффектам самоочищения внутренних поверхностей аппаратуры от инкрустирования твердыми отложениями. Таким образом, прямоточные секционированные аппараты с многократной инверсией фаз обладают рядом существенных преимуществ в сравнении с другими устройствами для приготовления ВУТ: уменьшают энергетические затраты, обеспечивают высокую эффективность контакта фаз; гарантируют стабильную работу в широком диапазоне нагру¬зок по газу и жидкости; обеспечивают большое время пребывания жидкости в ступени контакта; обеспечивают большое время контактирования жидкости с газом (в особенности, при использовании эжекционных контактных устройств); обеспечивают режим полного перемешивания суспензии в ступени контакта; обеспечивают режим отсутствия обратного перемешивания между ступенями контакта; обеспечивают транспортировку суспезии воздухом на более высокую отметку, что во многих случаях позволяет упростить топологию системы; просты по конструкции и в эксплуатации; позволяют осуществить неадиабатический режим взаимодействия фаз путем размещения теплообменных элементов внутри секций; обеспечивают высокую интенсивность процессов.

Для внедрения ВУТ на теплогенерирующих предприятиях Украины необходима сравнительно малозатратная реконструкция не только систем подготовки, но и подачи топлива. Предлагается в топке котла использовать эжекционные горелки новой конструкции, соответствующие физико- химическим особенностям горения ВУТ. Одной из наиболее сложных задач является уменьшение образования окислов азота. В новой горелке использованы известные и получающие все большее распространение в химии и других перерабатывающих отраслях производства методы, основанные на так называемой “химической рециркуляции”. Высокая эффективность такого процесса происходит благодаря разделению этапа горения топлива на две стадии, так как при одностадийном проведении реакции сжигания до конца сгорает легкая фракция, а тяжелая не успевает сгореть и покидает зону горения с высоким содержанием сажи. В новой горелке процесс сжигания проходит в две стадии. На первой стадии, в «мягких» условиях при минимальных температуре, избытке кислорода воздуха и времени горения, сжигают низкомолекулярные легкие составляющие топлива, обеспечивая 30 – 40% превращение. Оставшуюся высокомолекулярную часть топлива затем сжигают (дожигают) при более «жестких» условиях горения, добавляя воздух, за счет его эжектирования потоком дымовых газов после первой ступени, увеличивая температуру горения и время контакта, используя катализаторы дожигания. Это направление, перспективно при переходе на использование ВУТ ввиду необходимости увеличения времени и температуры горения. Целесообразным оказалось закручивание потока дымовых газов после предварительной ступени сжигания в сторону, противоположную направлению вращения, также закручиваемого потока эжектируемого воздуха.

К задаче использования ВУТ тесно примыкает другая задача диверсификации энергоносителей - использование отработанного активного ила очистных сооружений для сточных вод, которого только в Днепропетровске скопилось уже несколько миллионов тонн. Его запрещено использовать в качестве удобрения, поскольку в нем много соединений тяжелых металлов. Но это прекрасный источник энергии. Разработан ряд технологий, позволяющих выгодно использовать осадок сточных вод. К примеру, ученые из Луганского национального аграрного университета Г. Дрозд и Р.Бреус, обратили внимание на то, что отработанный активный ил занимает обширные территории в виде иловых площадок, вначале покрытых жидкостью, затем подсыхающие, и затвердевающие. Потом эти площадки зарастают сорняком, и с ними экологических проблем немало. Во-первых, все это фильтруется, идет под землю и заражает подземные источники, снабжающие водой населенные пункты. Во-вторых, есть угроза их самовозгорания, как у торфяников. Во всем мире иловые площадки либо ликвидируют, либо утилизируют, у нас - только складируют. В Европе половину всех осадков сточных вод используют в качестве удобрений в сельском хозяйстве. У нас — только 5%, и то несанкционированно, так как эти отходы содержат соли тяжелых металлов, в частности кобальта и никеля.

Луганские ученые предложили использовать ОАИ для производства строительных материалов и асфальта. Подобные рекомендации дают ученые из Национального университета водного хозяйства (г. Ровно) и Национальной академии природоохранного и курортного строительства (г. Симферополь), которые разработали технологию получения из осадка сточных вод щебня, который можно использовать как наполнитель при изготовлении бетона или кирпича. Однако, на наш взгляд ОАИ является перспективным материалом для получения из него практически полного аналога ВУТ – ведь органическая составляющая в нем составляет до 75% и даже выше.