ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2013, № 5, с. 54-61
УДК 622.648.24.002:622.7
СУСПЕНЗИОННОЕ УГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
© 2013 г. Н. И. Редькина, Г. С. Ходаков, Е. Г. Горлов
НТЦ-ИГИ E-mail: jkhodakova@yandex.ru; gorloveg@mail.ru Поступила в редакцию 19.02.2012 г.
Выполнен техноэкономический анализ производства водоугольного топлива для двигателей внутреннего сгорания и теплоэлектростанций (ТЭС). На основании накопленных экспериментальных данных показано, что в расчетах топливной эффективности водоугольных суспензий некорректно учитывали затраты на их приготовление, что привело к сомнительному выводу о технической и экономической целесообразности замены ими нефтяных топлив и газа. Немалые затраты, произведенные в ряде стран на разработку технологии производства и транспортирования водоугольных топлив, не окупились. Сформулированы условия рентабельности приготовления и использования водоугольных суспензий в двигателях внутреннего сгорания и ТЭС.
Б01: 10.7868/80023117713050095
В ряде публикаций приведены результаты тех-ноэкономического анализа использования угля в виде водной дисперсной суспензии (ВУТ) для получения тепловой и электрической энергии посредством сжигания в котлоагрегатах ТЭС и тепловых котельных [1—7]. Из анализа этих публикаций следует, что суммарные затраты на приготовление ВУТ, на сопровождающий приготовление износ оборудования, на испарение воды в процессе сжигания и дополнительные капитальные вложения могут быть компенсированы только выгодностью трубопроводного транспортирования ВУТ в ламинарном режиме на расстояние более 500 км. Однако такое транспортирование суспензии обременено, как показывает опыт комплекса Белово—Новосибирск (ныне полностью демонтированного), образованием тромбов в трубе, обусловленных действием сил Бернулли и Магнуса. Наряду с этим трубопроводный транспорт угля в турбулентном режиме с обезвоживанием пульпы на месте ее доставки промышленно эксплуатируется и развивается.
Работы по угольным суспензиям не были ограничены только проблемами ВУТ для прямого сжигания. Значительный раздел этой тематики был посвящен использованию угольных суспензий для двигателей внутреннего сгорания (ВУСД). Разработка технологии производства таких суспензий неизбежно требовала и сопровождалась модернизацией конструкции и режимов работы тихоходных дизелей и газовых турбин, предназначенных для этого энергоносителя. Между тем работы по ВУСД были не менее продвинуты, чем по ВУТ, и доведены до промышленных испыта-
ний со вполне конкретными и положительными результатами. Значительный вклад в эту тематику был внесен исследованиями процессов тонкого измельчения и деминерализации угля [8].
Несомненно, технология ВУСД значительно сложнее и дороже технологии ВУТ. Она включает дополнительные процессы, такие как сверхтонкое измельчение угля и, главное, его деминерализацию до остаточной зольности менее 0.5%. Необходимо также учитывать затраты на дополнительный износ, модернизацию и изменение режимов работы двигателей. Тем не менее, в расчете на единицу произведенной энергии затраты окупаются выгодой в стоимости угольного топлива по сравнению с нефтяным. Анализ выполненных исследований и промышленных испытаний показывает, что использование ВУСД для тихоходных дизелей и газовых турбин в отличие от ВУТ для ТЭС не утратило перспективы. Это доказывает и техноэкономический анализ проблемы, основные положения которого изложены в данной работе.
Методика энергоэкономического расчета и справочные данные
Техноэкономический анализ эффективности энергоносителей осложнен нестабильностью и изменчивостью цен на энергоносители. В настоящее время цены изменяются стремительно и мало отражают истинные затраты на их производство (как и других товаров). Практически невозможно на ценовой основе провести сколько-нибудь убедительную оценку сравнительной экономиче-
ской эффективности энергоносителей различного происхождения, в частности водоугольного топлива — ВУТ, угольных суспензий для двигателей внутреннего сгорания ВУСД, по сравнению с традиционными для таких двигателей видами топлив.
Здесь представлен расчет, выполненный по энергоэкономической методике. Суть ее заключается в констатации и использовании того факта, что все промышленные товары в стоимостном выражении эквивалентны суммарной энергии, израсходованной на их производство. Поэтому их ценность может быть выражена в энергетических единицах (например, в джоулях, кВт • ч, единицах условного топлива — УТ). В методике могут быть учтены затраты энергии всех видов, в том числе солнечной и человеческого труда, интеллектуальный труд, а также затраты на экологию.
Энергоэкономическая методика отражает уровень технологии по затратам суммарной энергии на производство потребительских товаров (энергия — тоже товар). Расчеты по этой методике не зависят от уровня денежных цен и рыночной конъюнктуры, хотя в конечном итоге адекватно их отражают. Имеется также в виду, что общая тенденция развития техники и технологии сводится к минимизации затрат энергии на производство товаров. Применение энергоэкономической методики оказалось наиболее обоснованной для расчета сравнительной эффективности энергоносителей в производстве из них энергии.
В энергоэкономическом расчете учтены: теплота сгорания сырья и затраты энергии на приготовление топлива, включая затраты на деминерализацию и измельчение; затраты тепловой энергии на испарение воды (составной части любого топлива) при его сгорании; расход энергии на эксплуатацию двигателя и неполноту сгорания — недожог. Принята во внимание такая важная экологическая характеристика, как затраты на очистку продуктов сгорания топлива до значений предельно допустимых концентраций (ПДК).
Проведены энергоэкономические расчеты эффективности ВУСД, а также (для сравнения) товарного угля, ВУТ из необогащенного угля для ТЭС, дизельного горючего, мазута и тяжелого бункерного топлива для дизелей. Эксплуатационные затраты приравнены к затратам энергии на приготовление соответствующих видов угольных топлив. Вся энергия, необходимая для получения топлива из угля и нефти, и энергия, необходимая для извлечения из энергоносителя потребительской (товарной) электроэнергии, составляет долю электроэнергии, производимой в тех же двигателях и тепловых установках. Приведены формулы для энергетической эффективности топлива и основные зависимости, определяющие расход энергии на ряде этапов его приготовления и использования.
Для пересчета на общепринятые экономические показатели и для сравнения полученных результатов экономической эффективности по энергоэкономической и ценовой методике использованы биржевые цены. Использованы справочные данные по энергосодержанию (низшей теплоте сгорания) энергоносителей:
Дизельное топливо — 10000 ккал/кг=42 МДж/кг= = 11.7 кВт • ч/кг
Мазут - 9750 ккал/кг = 41 МДж/кг = 11.4 кВт • • ч/кг.
Бункерное топливо — 9500 ккал/кг = = 40 МДж/кг = 11.1 кВт • ч/кг.
Каменный уголь (Кузбасс) (на сухое беззольное состояние) — 7850 ккал/кг = 33 МДж/кг = = 9.2 кВт • ч/кг.
Условное топливо (УТ) — 7000 ккал/кг = = 29.4 МДж/кг = 8.2 кВт • ч/кг.
В дизельном двигателе и газовой турбине с КПД = 0.45 и 0.40 эффективности производства электроэнергии из дизельного, мазутного и бункерного топлива соответственно равны: 11.7 • 0.45 ~ 5.3 кВт • ч/кг; 11.4 • 0.40 ~ 4.6 кВт • ч/кг; 11.1 • 0.40 ~ 4.4 кВт • ч/кг.
В дизельном двигателе с КПД = 0.40 эффективность производства электроэнергии из сухого беззольного угля составляла бы 9.2 • 0.40 ~ ~ 3.7 кВт • ч/кг. В котлоагрегатах ТЭС с КПД = = 0.30 эффективность производства электроэнергии составляет: из угля (на сухое беззольное состояние) — 9.2 • 0.30 = 2.76 кВт • ч/кг; из мазута — 11.4 • 0.30 ~ 3.4 кВт • ч/кг. В газотурбинных установках с внутрицикловой газификацией (ГТУ с ВЦГУ) с КПД = 0.45 эффективность производства электроэнергии из мазута при паровоздушном дутье равна 11.4 • 0.45 = 5.13 кВт • ч/кг.
Энергосодержание суспензионного топлива. Энергосодержание здесь определено как удельное количество тепловой энергии, полезно используемой при сжигании топлива для производства электроэнергии:
0 = бх(1 - Ж - Ак - Н) - Ж(0Ь + СЪТТ) - ЛКСзТЗ,(1)
где Ж — содержание (в отн. ед.) воды в топливе; АК — зольность; Н — недожог; 0Т — удельная теплота сгорания обеззоленного сухого топлива; Оь — удельная теплота парообразования воды с учетом затрат тепла на ее нагревание от 20 до 100°С; Сь — теплоемкость водяного пара; Тг — температура сброса газов; СЗ — теплоемкость золошлаковых продуктов; ТЗ — температура сброса золошлако-вых продуктов.
Доля топлива, расходуемого на испарение содержащейся в нем воды, составляет
жО + сьТ))
Ои =
О
(2)
Количество произведенной электроэнергии Еп = К0 (К — КПД процесса), из которой часть затрачивается на процессы приготовления топлива — перегонку нефти в дизельное топливо, измельчение и деминерализацию угля, эксплуатацию и обслуживание агрегатов и пр. Количество товарной энергии меньше произведенной: Ет = КО — Ев (Ев — удельные затраты электроэнергии на внутренние нужды производителя). Количество используемой теплоты сгорания топлива равно: От = О — Ет/К.
Удельные затраты энергии на измельчение угля. Согласно выполненным исследованиям, удельные затраты на измельчение угля определяются физико-механическими свойствами измельчаемого материала, исходной и достигаемой дисперсностью, энергонапряженностью мельниц, составом внешней среды и выражаются формулой:
Е =
N
<2п (1 - Ю
9 Ье
к( 1 - Ю) V Б(
1пБ + 1пБт -
|п Бт - Б0
Бт — Б / Бт — Б
(3)
Еп =
9 • 10-
-(Б - Б0), кВт ■ ч/т,
(4)
п (1 - Ю)
где Б и Б0 — удельная поверхность угля измельченного и исходного, соответственно, м2/г.
В области очень тонкого измельчения зависимость Е(Б) сложнее:
Еп =
9 • 10-
■Бт • 1П
Бт Б0
, кВт • ч/т.
(5)
где N — потребляемая мощность мельницы; Ж— содержание воды в измельчаемом материале; Б0 — удельная поверхность исходного материала; Бт — удельная поверхность предельно измельченного материала; Оп — производительность измельчения материала от удельной поверхности Б0 до Б; Ь — коэффициен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.