по новой технологии производства энергетического жидкого композитного топлива на основе местных топливных ресурсов.

март 2000 г.

1. Предпосылки создания искусственного композитного жидкого топлива

Современные топливные проблемы, даже имеющие региональный характер, в конечном счете определяются мировыми причинами и не могут автоматически разрешиться в результате преодоления сегодняшнего системного кризиса в России.

Суть этих проблем заключается в смене гаммы энергетических топлив, наблюдаемой в мире в настоящее время и на период до 2025 г. В 1998...1999 г.г. топливные компании констатировали "окончание газовой паузы" в энергетике и переход к программам "Уголь - энергетическое топливо XXI века". (Энергетическая программа США), в России 1998 г. была принята программа углубления переработки нефти, в результате чего резко возрастает стоимость топливных мазутов. (В США глубина переработки нефти составляет 93%). Все проблемы, связанные с топливом полностью сохраняются на предстоящие 25 лет при сохранении существующих технологий и еще более усугубляются при переходе к углю из-за возрастающей стоимости транспорта угля по железным дорогам (в 5...6 раз дороже, чем трубопроводный транспорт).

В то же время нужно констатировать, что долгосрочные технологические программы получения жидкого энергетического топлива из углей (80-е...90-е годы) не дали удовлетворительных результатов (Программа США "Гидроуголь", Российская программа получения метанола на основе газификации бурых углей). Стоимости товарных продуктов по этим технологиям оказались недопустимо высокими.

По сути дела, единственная реализуемая программа - это программа получения ВУС (водоугольной суспензии по Российской терминологии, "грязи" по терминологии США). Существенным недостатком этой технологии является то, что мало надежна в условиях низких температур и хорошо развивается только в странах с теплым климатом. Так Китай успешно торгует ВУС с Японией, используя для этого обычные портовые терминалы и танкеры для операций с нефтью.

В лаборатории энергетики НГТУ в 1998 году было впервые получено искусственное композитное жидкое топливо (ИКЖТ) на основе торфяного геля и отсевов горловского антрацита, а также канско - ачинских углей.

Термин "композитное" означает, что это топливо представляет собой композицию из компонентов с резко различными топливными свойствами, которые после совместной переработки дают новый продукт с ценными товарными свойствами, практически соответствующими наперед заданным качествам.

В качестве компонентов могут использоваться дешевые местные энергетические ресурсы, неудобные к использованию по ряду причин.

2. Технология производства искусственного композитного топлива (ИКЖТ)

Технология производства ИКЖТ является элементом в разрабатываемой в лаборатории теплоэнергетики НГТУ технологии использования местных топливных ресурсов и их безотходной утилизации в теплоэнергетических установках.

В основе производства ИКЖТ лежит использование торфа (~30%), местных твердых топлив (~30%, отсевы антрацита, угольная мелочь топливопоставок, технологические отходы электродного производства и т.п.), сырой нефти (~10%) и водной составляющей (~30%).

Составные компоненты ИКЖТ проходят переработку в специальных насосах - кавитаторах, где осуществляется глубокая деструкция материала. Деструктурированные материалы проходят затем совместную обработку в еще одном кавитаторе с добавлением сырой нефти (возможна замена нефтепродуктами) где вследствие сложных физико - химических процессов и эмульгации образуется конечный продукт.

Технологическая схема производства и сжигания ИКЖТ в топке энергетического котла представлена здесь.

Производство ИКЖТ осуществляется по следующей технологической схеме (смотри рисунок). Уголь и торф поступают соответственно в бункера 1 и 15. После дробилки 2 уголь питателем 3 подается в ШМБ 4, а торф - на грохот 16 и после дробилки - на флотатор 17. Угольная пыль (станционного помола, в среднем 200 мкм) после сепаратора 5 и циклона 6 поступает в бункер пыли 8, из которого питателями 9 подается на модули производства композитного жидкого топлива (МЖТ). В состав одного модуля входят три кавитатора 10 с электроприводом. Угольная пыль и измельченный торф параллельно водятся в кавитаторы МЖТ, туда же по линиям 14 подается вода. При числе оборотов 6...10 тыс.об./мин. за счет кавитационных эффектов происходит молекулярная деструкция в водно - угольной и водно - торфяной среде.

В результате на выходе из кавитаторов по линии 18 подается торфяной гель, а по линии 22 - водно - угольная суспензия (ВУС). Эти компоненты одновременно вводятся в третий кавитатор МЖТ. Туда же поступает сырая нефть из бака 11. Здесь уже смесь компонентов за счет кавитационных эффектов подвергается молекулярной деструкции и результате из кавитатора поступает в расходную цистерну 12 КЖТ, которое по физико - техническим параметрам является жидким топливом. Теплота сгорания находится на уровне 15...19 МДж/кг. Вязкость - меньше чем у мазута. Размер твердых частиц - 10...15 мк. КЖТ не требует такого, как при использовании мазута, подогрева при подаче его по линии 20 к форсункам котла (рабочая температура - не выше 40 ⁰С), так как даже при температуре до - 12 ⁰С сохраняет свойства жидкости в течение длительного времени (продолжитель - ности отопительного периода). После замерзания и оттаивания КЖТ во всем спектре параметров сохраняет свойства жидкого топлива.

Затраты мощности на модуль - 4,5 х 10^-3 кВт.ч./кг КЖТ, на систему топливоподготовки и пылеприготовления 7 х 10^-3 кВт.ч./кг КЖТ.

3. Результаты топливных и реологических исследований ИКЖТ

Полученное в лаборатории ТЭ НГТУ искусственное жидкое топливо на основе толмачевского торфа и отсевов на основе листвянского антрацита прошло цикл исследований. При проведении исследований результаты сравнивались с аналогичными показателями ВУС.

1. Состав. Теплота сгорания.

Таблица 1
Технический состав композитного жидкого топлива.

Содержание влаги в ВУС составляет 40...50%. Теплота сгорания ВУС Qрн = 3440...4130 ккал/кг.

2. Способность к хранению.

Способность к хранению определяется прежде всего нерасслаиваемостью топлива при длительном хранении и удерживании летучих в течение всего срока хранения.

ИКЖТ хранился в течение 1,5 года без признаков расслаивания, в течение всего времени хранения выход летучих был незначителен.

ВУС при хранении расслаивается в течение 1...2 месяцев. Выход летучих не наблюдается.

3. Замерзаемость.

В холодное время года ИКЖТ замерзает при температуре (в зависимости от состава) -12...-18 ⁰С.

При размораживании после замерзания полностью восстанавливает свою структуру. ВУС такими качествами не обладает.

4. Температура вспышки, температура воспламенения.

По результатам опытных и дериватографических исследований температура вспышки ИКЖТ оценена в 115...125 ⁰С, температура воспламенения - в 250 ⁰С.

Температура воспламенения ВУС на основе донецких АШ по литературным данным - 400...430 ⁰С.

5. Факельное сжигание ИКЖТ.

Для проверки возможности факельного сжигания ИКЖТ в лаборатории ТЭ был смонтирован огневой стенд (щелевая печь), на котором осуществлялось сжигание ИКЖТ. Были опробованы несколько типов форсунок с распылом топливной струи воздухом.

Были получены результаты, которые полностью подтвердили возможность факельного сжигания ИКЖТ.

6. Образование окислов серы в составе дымовых газов.

Экологические качества сжигания ИКЖТ могут быть охарактеризованы через мольное отношение Ca/S в составе топлива. Улавливание серы золой проходит эффективно, если кальций в минеральной части топлива представлен в солях кальциевой кислоты, а не в гидратных группах.

Можно отметить, что если отношение Сa/S > 2, то эффективность улавливания серы очень велика (при наличии солей кальциевой кислоты - более 75%). Толмачевский торф отличается именно этими качествами (Ca/S = 14,42). Благодаря содержанию этого компонента соотношение Ca/S в продукте выше 2, и процесс сгорания ИКЖТ идет с минимальным образованием окиси серы в составе дымовых газов.

7. Шлакуемость ИКЖТ.

Лабораторный анализ сухого ИКЖТ выявил высокое содержание в золе окиси кальция, которая вносится в топливо с торфом, и высокое содержание двуокиси кремния, которая входит в состав угля. Сочетание этих двух окислов определяет способность золы давать отложения в газоходах котлоагрегатов. Кроме этих окислов некоторую роль играют соли алюминиевой кислоты и окиси магния. В литературе используется критерий шлакования (т.н. " swelling factor", SWF), который рассчитывается как отношение суммы мольных долей оснований к сумме мольных долей кислот в составе минеральной части, помноженное на процентное содержание серы по рабочей массе. У хорошего топлива верхний предел SWF не должен превышать 0,65.

У ИКТЖ фактор шлакуемости значительно ниже 0,65 (~0,25), что свидетельствует об отсутствии шлакуемости газоходов при сжигании топлива. Это было также подтверждено при опытном сжигании ИКЖТ.

8. Реологические свойства ИКЖТ.

ИКЖТ (также как и ВУС) является нестандартной жидкостью по реологическим свойствам. Наличие фазового перехода у части состава приводит к разрыву функции вязкости от температуры.

С понижением температуры вязкость ИКЖТ растет, так же как вязкость мазута. При 0 ⁰С вязкость ИКЖТ сначала падает и при отрицательных температурах сохраняет низкое значение (ниже значительно, чем у мазута) вплоть до замерзания. Характерной особенностью ИКЖТ является разброс точек при повторных измерениях вязкости, что объясняется зависимостью тензора касательных напряжений от электрохимической картины в слое жидкости (ИКЖТ имеет электроионную проводимость), которая определяется не только температурой, но и другими факторами.

4. Предпосылки использования ИКЖТ

Предпосылками широкого использования ИКЖТ в г. Новосибирске и Новосибирской области являются:

1. Большие запасы торфа, пригодного для промышленного использования, в том числе и вблизи г. Новосибирска и районных центров Новосибирской области.
2. Новосибирск и область располагает отсевами антрацита Горловского месторождения, которые непригодны для прямого топливного использования, кроме того, есть технологические шламы в больших количествах, которые также могут с успехом быть использованы для приготовления ИКЖТ.
3. Новосибирская область граничит с Кемеровской областью, на территории которой располагаются значительные запасы топлив, пригодных для производства ИКЖТ. Это в первую очередь полуантрациты, метаморфизованные каменные угли, а также промпродукт и отходы обогатительных фабрик. В настоящее время - это малопривлекательные для потребителей топлива. Поэтому они достаточно дешевы. Новосибирская и Кемеровская область связаны между собой хорошей коммуникационной системой.
4. На территории Новосибирской области располагаются месторождения так называемой Северной нефти (Северный район). Это промышленные месторождения с устойчивым уровнем добычи. Эта нефть может быть использована для производства ИКЖТ.
5. Город Новосибирск располагает производственными возможностями для изготовления оборудования производственных линий ИКЖТ. Оборудование само по себе не сложное, но требует квалифицированного обслуживания, что тоже может быть обеспечено трудовыми резервами области и города.
6. Стремительно вырастает стоимость мазута и будет возрастать впредь. В ближайшем будущем не будут построены достаточно производительные нефтеперерабатывающие заводы, т.о. не приходится рассчитывать на удешевление мазута.
7. Создание индустрии ИКЖТ в Новосибирске и области сохранит денежные ресурсы области и города, приведет к развитию промышленности и к созданию дополнительных рабочих мест. В дальнейшем ИКЖТ может стать экспортным продуктом.

5. Выводы

1. В г.Новосибирске разработана технология искусственного композитного топлива (ИКЖТ), которое по ряду показателей превосходит ВУС, является топливным продуктом мирового уровня и служит заменителем топочного мазута, превосходя его по экологическим показателям.
2. Для производства ИКЖТ используются местные ресурсы, что позволяет получить продукт по цене (~300 руб./т.) в 10 раз дешевле мазута (~3500 руб./т.), а с учетом приведения к одинаковому тепловому эффекту ~ в 5 раз дешевле, чем мазут на сегодняшний момент.
3. Освоение технологии не сложно, установки не дорогие. Все элементы могут быть изготовлены на предприятиях города и области.
4. Существуют объективные предпосылки для скорейшего внедрения предлагаемой технологии на предприятиях города и области.
5. Внедрение технологии позволяет создать дополнительные рабочие места, рационально использовать денежные ресурсы, предложить для экспортирования (сначала в России) топливный продукт мирового уровня.