Тема: СВОЙСТВА ВОДОУГОЛЬНЫХ ТОПЛИВ С ДОБАВЛЕНИЕМ ЖИДКИХ ГОРЮЧИХ КОМПОНЕНТОВ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИХ РАСПЫЛЕНИЯ ДЛЯ КОТЛОВ ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

По состоянию на 2018 год в Российской Федерации действовало 566 теплоэлектроцентралей мощностью от 500 кВт и выше и около 74,8 тыс. отопительных котельных. Суммарная тепловая мощность ТЭЦ составляла лишь 265 тыс. Гкал/ч, а отопительных котельных - 582 тыс. Гкал/ч (рисунок 1). При этом треть таких котельных работает на угле (рисунок 2) [1].


Котельные по сельским поселениям
■ Котельные по городским поселениям
■ Теплоэлектроцентрали
Рисунок 1 - Мощность источников теплоснабжения Российской Федерации по видам источников в 2014-2018 гг., тыс. Гкал/ч [1] 


В последние годы потребление угля в мире для выработки энергии изменяется незначительно [2]. Это вызвано активным использованием твердого топлива в энергетическом секторе России, Китая, Индии и других стран [2-4]. После снижения потребления угля в период 2014-2016 годов, данный показатель в мировом масштабе в 2018 году увеличился на 1,6% [2,5,6]. Основной вклад в это внесли Россия, Китай и Индия, однако, потребление угля также увеличилось и в ряде европейских стран (таблица 1). В 2019 году отмечено незначительное снижение потребления угля в мире (на 0,6%) [7]. Согласно экспертным прогнозам [8] доля угля в мировом топливно-энергетическом балансе снизится к 2040 году лишь на 5% по консервативному сценарию и на 8% по инновационному сценарию. Таким образом уголь продолжит играть одну из основных ролей в производстве тепловой энергии ближайшие десятилетия. 
Таблица 1 - Потребление угля, эксаджоуль [7]
Страна 2016 2017 2018 2019
Россия 8,12 8,62 9,23 9,20
Казахстан 1,85 2,02 2,13 2,08
Китай 70,82 73,17 76,58 79,82
Индия 11,89 11,99 12,80 12,73
Индонезия 11,25 11,38 13,76 15,05
Япония 0,03 0,02 0,02 0,02
Пакистан 0,08 0,08 0,08 0,12
Австралия 12,83 12,50 13,06 13,15
Южная Корея 0,03 0,03 0,02 0,02
Вьетнам 0,90 0,90 0,98 1,08
Таиланд 0,18 0,17 0,16 0,15
ЮАР 6,01 5,97 5,99 6,02
Турция 0,65 0,63 0,69 0,70
Польша 2,18 2,08 1,98 1,87
Г ермания 1,66 1,65 1,58 1,27
Болгария 0,21 0,24 0,22 0,20
Бразилия 0,11 0,09 0,10 0,12
Мексика 0,25 0,31 0,28 0,26

Несмотря на активное продвижение и постепенное усиление позиций возобновляемых источников энергии, их мощности (порядка 8% мировой) недостаточно для покрытия требуемой нагрузки [2]. Также, во многих странах мира отсутствует возможность внедрения энергопроизводящих установок на альтернативных источниках энергии ввиду географического расположения. В связи с этим выработка тепловой энергии на ТЭЦ и локальных котельных, работающих на угле, увеличивается (либо незначительно снижается), в том числе и в ряде европейских стран, широко использующих возобновляемые источники. Это относится и к Японии, полагающейся в основном на атомную энергетику и сжигание различных отходов [9].
В России распределение выработки по источникам энергии отличается от региона к региону. В европейской части страны (включая Урал) теплоэнергетика в основном основана на природном газе, в то время как в Сибири и на Дальнем Востоке преобладает доля угля [4]. Однако, высококачественные угли, добываемые в России, либо экспортируются за рубеж, либо используются на химических и металлургических предприятиях [10], оставляя объектам энергетики всего порядка 30% [4]. Тем не менее, к 2030 году ожидается рост поставок российского угля для теплоэнергетики на внутреннем рынке со 102 млн. тонн в 2010 году до 150 млн. тонн при увеличении доли экспорта в поставках угольной продукции за этот период с 38,5% до 45,6% [11].
Однако прямое сжигание углеродных топлив на локальных котельных влечет за собой выброс в атмосферу значительного количества вредных веществ (NOx, SOx, CO2, CH4) [5,10]. Угольные котельные вносят значительный вклад в тот факт, что Россия входит в пятерку стран с самыми большими выбросами парниковых газов, наряду с Китаем, США, Индией и Германией [12].
Несмотря на снижение использования угля в качестве основного топлива объектов энергетики во многих странах Европы, а также США [2,6], мировое потребление его в ближайшие десятилетия снизится незначительно, так как применение угля в энергетике развивающихся стран будет продолжать расти для поддержания темпов развития (в основном за счет Индии и Юго-Восточной Азии) [5]. Уголь и его продукты горения также являются источником различных важных элементов (уран, германий, иттрий, редкоземельные элементы, галлий, алюминий, золото, серебро и др.), что представляет огромный интерес в развитии технологий его использования в углехимии [13].
Несмотря на все усилия мирового сообщества, направленные на выполнение условий Парижского Соглашения [14], в 2017 году отмечено увеличение мировых выбросов CO2 от производства энергии на 1,4% (после трех лет сдерживания данного показателя на одном уровне) [15]. Согласно экспертным оценкам [7] в 2020 году ожидается пиковое значение данного показателя, а к 2050 году прогнозируется снижение выбросов лишь на 10%.
В настоящее время ведутся разработки различных технологий, направленных на снижение вредных выбросов объектов энергетики, работающих на угле, [16] и обеспечивающих повышение энергетических характеристик угля. К таким технологиям относятся: направление HELE (high-efficiency low emission) [17], нанесение инициирующих добавок в виде нитрата аммония, меди и др. [18,19], сжигание композитных топлив на основе угля и биомассы [20,21], низкотемпературный и циркулирующий кипящий слой [22] и др.
Одним из наиболее многообещающих направлений развития угольной энергетики является использование суспензионных топлив. Суспензионное топливо может представлять собой смесь мелкодисперсного угля, жидкой среды и различных добавок. В настоящее время известны исследования водоугольного топлива (ВУТ) с добавлением нефтепродуктов [23], глицерина [24], спиртов [25], а также органоводоугольных топлив [26].
Исследования, направленные на изучение и создание угольных суспензий, проводились в России еще в середине прошлого века. В 1959 году были начаты работы по созданию и энергетическому использованию водоугольных суспензий по заданию Госплана СССР из-за необходимости утилизации угольных шламов. «Первопроходцами» в данном направлении были Институт горючих ископаемых (ИГИ) и Энергетический Институт имени Кржижановского (ЭНИН). Их исследования были направлены на разработку технологии утилизации дисперсных угольных шламов, загрязняющих окружающую среду, образующихся в результате гидравлической добычи, обогащения и гидротранспортирования угля из шахты [27,28].
Тема ВУТ стала особенно популярной в 70-е годы прошлого века. Предполагалось использовать его для сжигания в котлах как альтернативу мазуту. Для этого необходимо было получать суспензию высокого качества с меньшими издержками. Создавались проекты по трубопроводному транспортированию ВУТ на дальние расстояния, применению его в двигателях внутреннего сгорания и газогенераторах [29].
Наиболее интенсивное развитие технологии ВУТ пришлось на период нефтяного кризиса 1973 года в таких развитых странах как США, Китай, Япония, Швеция и др., где уголь стали рассматривать как альтернативный вид топлива, взамен нефтепродуктам [30]. Таким образом, в данном направлении в последующие несколько лет были выполнены целые серии научных работ по созданию и эксплуатационному применению водоугольного топлива. После активной проработки ряда вопросов в лабораторных условиях, в первой половине 80-ых годов под данный вид топлива были модернизированы и запущены энергетические котлы на действующих объектах энергетики. После удачной серии промышленных опытов во многих ведущих угледобывающих странах мира доля получаемой энергии с использованием ВУТ стала увеличиваться, показывая, что основные характеристики ВУТ принципиально не уступают другим видам топлива.
Наиболее известным отечественным проектом использования водоугольного топлива является внедрение трубопроводного комплекса «Белово- Новосибирск» в 1989 году. В рамках проекта был спроектирован и построен терминал приготовления ВУТ в г. Белово и сам трубопровод протяженностью 262 км [28]. Сжигание суспензии производилось на Новосибирской ТЭЦ-5. В результате эксплуатации данного технологического комплекса было передано по трубопроводу и сожжено в энергетических котлах с получением энергии 400 тыс. т ВУТ [29]. К сожалению, этот проект был приостановлен с целью профилактических работ на ТЭЦ-5, но не был запущен из-за серьезных политических перемен и экономических проблем в стране. Тем не менее, этот положительный опыт подтвердил возможность использования водоугольного топлива в энергетической отрасли.
В настоящее время наибольший размах работы по ВУТ получили в Китае, где они активно поддерживаются государством и коммерческими организациями. Данной тематикой в Китае занимаются несколько исследовательских государственных центров [31].
Несмотря на активное использование водоугольного топлива рядом стран, некоторые проблемы остаются нерешенными. Одна из них заключается в том, что внедрение в промышленную теплоэнергетику водоугольных топлив с добавлением жидких горючих компонентов, решающих проблему низкой теплотворной способности типичного ВУТ, сдерживается отсутствием экспериментально полученных характеристик струи после распыления таких топлив. При этом большинство исследований в области суспензионных топлив в настоящее время направлены на изучение характеристик зажигания и горения.
За последние десятилетия было проведено большое количество исследований, направленных на изучение суспензионных топлив. Наибольший вклад внесли: Делягин Г.Н., Алексеенко С.В., Ануфриев И.С., Дектерев А.А., Мурко В.И., Сенчурова Ю.А., Ходаков Г.С., Баранова М.П., Кузнецов Г.В., Стрижак П.А., Глушков Д.О., Сыродой С.В., Богомолов А.Р., Daviault S.G., Jiang X., Tsai S.C., Wang C., Kefa C., Miao Z., Meng, X., Wu G., Padhy M., Routray A., Kaushal D., Singh H., Boylu F., Dincer H., Atesok G., Konduri M., Sadakata M., Gajewski W., Hu B., Kijo-Kleczkowska A., Pinchuk V., Kim S.H., Lee C.H., Staron A., Kowalski Z., Banach M., Liu J., Liu H., Manwani P., Mohapatra S.K., Pisupati S.V., Svoboda K., Sakai T., Wang H., Zhu M. и др. известные ученые.
Несмотря на глубокий фундаментальный задел в области изучения суспензионного топлива, созданный проведенными исследованиями, ряд проблем все еще остается нерешенным.
Целью диссертационной работы является определение по результатам экспериментов характеристик струи (скорость, размер и число капель, угол раскрытия) распыленных водоугольных топлив на основе углей марки 3Б, Д и Т с добавлением жидких горючих компонентов (жидких отходов переработки резинотехнических изделий, отработанного моторного масла, изопропилового спирта), отсутствие которых сдерживает внедрение таких топлив в промышленную теплоэнергетику.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Создать стенд для экспериментальных исследований распыления суспензионных топлив.
2. Определить по результатам экспериментов свойства (вязкость, плотность, коэффициент поверхностного натяжения) водоугольных топлив на основе углей марки 3Б, Д и Т с добавлением жидких горючих компонентов (жидких отходов переработки резинотехнических изделий, отработанного моторного масла, изопропилового спирта).
3. Установить по результатам экспериментов характеристики распыления (скорость, размер и число капель, угол раскрытия струи) водоугольных топлив на основе углей марки 3Б, Д и Т с добавлением жидких горючих компонентов (жидких отходов переработки резинотехнических изделий, отработанного моторного масла, изопропилового спирта).
4. Определить предельные концентрации жидких горючих компонентов (жидких отходов переработки резинотехнических изделий, отработанного моторного масла, изопропилового спирта) в составе водоугольных топлив на основе углей марки 3Б, Д и Т и разработать рекомендации по использованию результатов исследования.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые экспериментально определено влияние жидких горючих компонентов (жидких отходов переработки резинотехнических изделий, отработанного моторного масла, изопропилового спирта) на характеристики струи (снижение скорости до 14%, количества мелких капель до 15%, увеличение угла раскрытия до 25%) после распыления водоугольных топлив на основе углей марки 3Б, Д и Т, отсутствие которых сдерживает внедрение таких топлив в промышленную теплоэнергетику.
Практическая значимость работы состоит в том, что установлены и обоснованы предельные концентрации исследовавшихся жидких горючих добавок в составе водоугольного топлива: не более 3 мас.% изопропилового спирта и не более 8 мас.% жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла. По результатам диссертационной работы получен патент на топливную суспензию с добавлением жидкой горючей добавки (изопропиловый спирт) №2731605 от 04.09.2020. Результаты диссертационного исследования используются ООО «НПО Инноватех» при проектировании новой установки термолизной переработки резинотехнических отходов производительностью 300 кг/ч с целью получения дополнительного полезного продукта - компонента водоугольных суспензий и решения безопасной утилизации в котлах промышленной теплоэнергетики отходов технологического цикла производства технического углерода.
Достоверность полученных результатов подтверждается оценками систематических и случайных погрешностей выполненных измерений, удовлетворительной повторяемостью опытов при идентичных начальных значениях параметров, использованием современных программно-аппаратных комплексов и систем регистрации, а также сравнением с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.
Связь работы с научными программами и грантами.
Диссертационные исследования свойств водоугольных топлива с добавлением жидкой горючей добавки и характеристик выполнены при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект №FSWW-2020-0022) и проекта ВИУ-ИШЭ-193/2020 в рамках программы повышения конкурентоспособности Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Научные положения, результаты и выводы, выносимые на защиту:
1. Введение в состав типичного водоугольного топлива на основе углей марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.% жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла приводит к повышению вязкости до 29, 64 и 77%, плотности до 1,5, 6 и 8% и коэффициента поверхностного натяжения до 2,5, 8 и 12%, соответственно.
2. Введение в состав типичного водоугольного топлива на основе углей марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.% жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла приводит к снижению средней скорости капель в струе до 10, 13 и 14%, соответственно.
3. Введение в состав типичного водоугольного топлива на основе углей марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.% жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла не приводит к значительному снижению (до 2, 8 и 5%, соответственно) числа капель малого размера (до 300 мкм) после распыления.
4. Введение в состав типичного водоугольного топлива на основе углей марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.% жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла приводит к росту угла раскрытия струи до 6, 15 и 22%, соответственно.
5. Предельная концентрация изопропилового спирта в качестве жидкого горючего компонента в составе суспензионного топлива на основе углей марки 3Б, Д и Т составляет не более 3 мас.%, а жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла - не более 8 мас.%.
Личный вклад автора состоит в создании экспериментальной установки, организации и проведении экспериментальных исследований, обработке результатов, оценке систематических и случайных погрешностей, анализе и обобщении полученных результатов, разработке рекомендаций их практического использования, формулировке защищаемых положений и выводов.
Апробация работы.
Основные положения и результаты исследования докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2017), V Международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы» (Томск, 2017), II Всероссийской научной конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (Ялта, 2017), X Всероссийской конференции с международным участием «Горение топлива: теория, эксперимент, приложения» (Новосибирск, 2017), Международной молодежной научной конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2018), Международной молодежной научной конференции «Тепломассоперенос в системах обеспечения тепловых режимов энергонасыщенного технического и технологического оборудования» (Томск, 2019), III Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (Москва, 2020).
Публикации.
Основные положения, результаты и выводы диссертационных исследований опубликованы в 9 статьях в журналах, индексируемых базами данных Scopus и/или WoS и 5 статьях в журналах из списка, рекомендованного ВАК для опубликования результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: «Journal of Environmental Chemical Engineering» (IF=4,3, Q1), «International Journal of Energy Research» (IF=3,741, Q2), «Journal of Energy Engineering» (IF=1,33, Q2), «Chemical and Petroleum Engineering» (IF=0,35, Q3), MATEC Web of Conferences (IF=0,44), AIP Conference Proceedings (IF=0,4), Journal of Physics: Conference Series (IF=0,23), «Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика», «Вестник Иркутского государственного технического университета», «Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики», «Химическое и нефтегазовое машиностроение». Получен 1 патент на изобретение (ПРИЛОЖЕНИЕ 1) и 1 акт о внедрении (ПРИЛОЖЕНИЕ 2).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка литературы. Диссертация изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 64 рисунка, 10 таблиц, 2 приложения. Библиография включает 132 наименования.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, представлена степень разработанности, сформулированы цель и задачи исследования, отражена практическая значимость и научная новизна полученных результатов.
В первой главе проанализировано современное состояние экспериментальных исследований реологических свойств водоугольных топлив.
Изучены результаты экспериментальных и теоретических исследований распыления водоугольных суспензий. Определены основные достижения и нерешенные задачи. Установлена недостаточность экспериментальной информации о реологических свойствах водоугольного топлива с добавками выбранных жидких горючих компонентов, а также отсутствие экспериментальных и теоретических исследований распыления таких топлив.
Во второй главе приведены характеристики объекта исследования. Представлена схема экспериментального стенда, а также методика исследования характеристик распыления (скорость и размер капель, угол раскрытия струи) водоугольных топлив с добавлением жидких горючих компонентов. Представлена методика экспериментальных исследований свойств (вязкость, плотность, коэффициент поверхностного натяжения) водоугольных топлив с добавлением жидких горючих компонентов. Проведена оценка погрешностей измерений.
В третьей главе представлены основные результаты проведенных экспериментальных исследований свойств (вязкость, плотность, коэффициент поверхностного натяжения) суспензионных топлив. Экспериментально
установлено влияние типа жидких горючих компонентов и их концентрации на свойства суспензионных топлив.
В четвертой главе представлены основные результаты проведенных экспериментальных исследований распыления суспензионных топлив. Экспериментально установлено влияние типа жидких горючих компонентов и их концентрации на характеристики распыления (угол раскрытия струи, количество, размер и скорость капель) суспензионных топлив.
В пятой главе приведено обоснование предельных концентраций исследовавшихся жидких горючих компонентов (жидких отходов переработки резинотехнических изделий, отработанного моторного масла, изопропилового спирта) в составе водоугольных топлив на основе углей марки 3Б, Д и Т и сформированы рекомендации для практического применения полученных экспериментальных результатов исследования.
В заключении подведены основные итоги исследований, сформулированы соответствующие выводы.

Купить

В работе рассмотрены вопросы распыления водоугольных топлив на основе углей марки 3Б, Д и Т с добавлением жидких горючих компонентов (изопропиловый спирт, жидкие отходы переработки РТИ, отработанное моторное масло) для повышения теплотворной способности по сравнению с типичными водоугольными топливами.
На основании аналитического обзора охарактеризовано состояние области исследований, сформулирована цель и поставлены задачи настоящей работы.
По результатам экспериментов получены зависимости вязкости, плотности, коэффициента поверхностного натяжения, скорости капель, угла раскрытия струи от доли и типа жидких горючих компонентов в составе суспензионного топлива, а также распределение капель по размерам после распыления таких топлив.
Сформулированы следующие выводы.
1. Создан действующий стенд для экспериментальных исследований распыления суспензионных топлив.
2. Установлено, что добавление в состав типичного водоугольного
топлива на основе углей марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.% жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла приводит к повышению вязкости до 29, 64 и 77%, плотности до 1,5, 6 и 8% и коэффициента поверхностного натяжения до 2,5, 8 и 12%,
соответственно.
3. Определено, что из трех исследовавшихся марок углей суспензионное топливо на основе угля марки 3Б обладает наибольшей вязкостью (347 мПа-с), а суспензионное топливо на основе угля марки Т - наименьшей (140 мПа-с). Это связано с их степенью метаморфизма и, соответственно, средним размером пор.
4. Введение в состав типичного водоугольного топлива на основе углей марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.% жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла приводит к росту угла раскрытия струи до 6, 15 и 22%, соответственно. Дальнейшее увеличение концентрации изопропилового спирта влечет за собой значительный прирост стоимости топлива. Увеличение концентрации жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла до 12 мас.% приводит к образованию достаточно крупных агломератов капель после распыления, что, как известно, приводит к увеличению времени задержки зажигания топлива.
5. Установлено, что введение в состав типичного водоугольного топлива
на основе углей марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.% жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла приводит к снижению средней скорости струи до 10, 13 и 14%,
соответственно. Таким образом, использование жидких горючих компонентов снижает среднюю скорость капель, что приводит к увеличению времени их пребывания в камере сгорания, снижению недожога и, соответственно, повышению эффективности работы котлов промышленной теплоэнергетики. При этом доказано, что невозможно описать изменение скорости частиц исследовавшихся составов одним законом.
6. Введение в состав типичного водоугольного топлива на основе углей марки 3Б, Д и Т 3 мас.% изопропилового спирта и 8 мас.% жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла не приводит к значительному снижению (до 2, 8 и 5%, соответственно) числа капель малого размера (до 300 мкм) после распыления.
7. Предельная концентрация изопропилового спирта в качестве жидкого горючего компонента в составе суспензионного топлива на основе углей марки 3Б, Д и Т составляет не более 3 мас.%, а жидких отходов переработки резинотехнических изделий и отработанного моторного масла - не более 8 мас.%.


Купить