Введение к работе
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-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, Е. Г. Горлова, А. И. Борзова, 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, существуют 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 угледобьши 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 TACIS по энергосбережению (1998-2000), ГНТПР России «Экологически чистая энергетика» и в соответствие с координационными планами Минуглепрома, Миннефтегазстроя, НИОКР КАТЭКНИИуголь.
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 водоугольных суспензий для сжигания в топках малого объема теплотехнологических установок энергетических систем городов и регионов на основе существенного дополнения и научного обобщения результатов исследования углей разной степени метаморфизма с учетом ресурсосбережения и снижения вредных выбросов в атмосферу.
Для достижения этой цели решены следующие задачи:
Установить зависимости технологических параметров ВУС от физико-химических и теплотехнических характеристик используемого угля;
Изучить возможность получения суспензий, удовлетворяющих оптимальным требованиям по зольности, содержанию твердой фазы, реологическим характеристикам и стабильности;
Сформулировать феноменологическую модель кинетики образования суспензий из углей разной степени метаморфизма с учетом их структурно-реологических особенностей;
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;
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 в теплотехнологических установках.
Методика исследования. Для решения поставленных задач использованы численные методы решений математических моделей с помощью пакетов прикладных программ Ansys, SigmaFlow и программного комплекса COMSOL Multiphysics. 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 решении на основе системного подхода крупной научной проблемы получения нетрадиционных топливных смесей в виде водоугольных суспензий из углей разной степени метаморфизма для совершенствования существующих энергетических систем и
проработки перспективных структур топливоподготовки энергетических систем и комплексов городов и регионов, в том числе:
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;
Найдены и научно обоснованы корреляционные зависимости реологических характеристик ВУС от таких показателей качества угля, как содержание углерода, золы, гуминовых кислот, кислородсодержащих функциональных групп и др.;
Выявлена природа стабилизации водоугольных топливных суспензий щелочными реагентами и сформулирована феноменологическая модель кинетики образования ВУС, заключающаяся в формировании дисперсионной среды гелей гуминовых кислот в водной фазе;
Разработана адекватная оригинальная модель обобщенной неньютоновской жидкости, отличающаяся от известных учетом особенностей вязкости водоугольных суспензий в различных диапазонах скоростей сдвига;
На базе численных исследований обоснованы и реализованы рациональные технологические режимы получения ВУС. Предложен и научно обоснован ряд технологических схем приготовления из углей различной стадии метаморфизма, в том числе, с использованием вторичных ресурсов;
Показана и обоснована возможность получения транспортабельных ВУС на основе смесей углей разной степени метаморфизма в лабораторном, в опытно-промышленном и промышленном масштабах.
Впервые показана возможность использования бурых углей Багануурского и Шивээ-Овооского месторождений Монголии в виде водоугольных топливных суспензий, установлена возможность их эффективного сжигания в промышленных тепло-технологических установках энергетических систем.
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, ФГУП «НПЦ «Экотехника» и ЗАО НПП «Сибэкотехника» (Новокузнецк). 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. 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 во ФГУП «НПЦ «Экотехника», ЗАО НПП «Сибэкотехника» (Новокузнецк) 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 (2006-2010) 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 удовлетворительным 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 НІЖ «Основные направления открытой угледобычи и переработки КАУ» (Красноярск, 1990), Всероссийской НІЖ «Стратегия социально-экономического развития города Красноярска до 2010 г.» (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 «Наноматериа-лы 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 материалами в перспективных технологиях и медицине» (Новосибирск, 2011), Первой Международной НПК «Современные тенденции использования топлива, производимого из угля, в промышленности и энергетике» (Алушта, Украина, 2011), Сибирском энергетическом форуме (СЭФ-2011) (Красноярск).
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 ФГУП «НПЦ «Экотехника» и ЗАО НПП «Си-бэкотехника» (Новокузнецк), Ачинского глиноземного комбината, предприятия «ТЕ-УС» (Красноярск) за помощь в работе на опытно-промышленном и действующем промышленном оборудовании.
По теме диссертации опубликовано 64 печатных работы, из них: одна монография, одно учебное пособие, 20 статей в периодических изданиях из перечня ВАК, 15 - в других изданиях и за рубежом, 26 - в трудах всесоюзных, всероссийских и международных научно-технических конференций, один патент РФ на изобретение.
Объем и структура работы. Материалы диссертации изложены на 239 страницах основного текста, включающего 59 рисунков и 83 таблицы. Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 283 наименований и приложения.
