Введение
Основным сырьём для производства энергии в Кемеровской области – Кузбассе является уголь. Запасы угля в Кузбассе являются одними из самых больших в России, по различным оценкам, общие запасы угля в Кузнецком бассейне составляют от 600 до 700 миллиардов тонн [1], из которых значительная часть пригодна для разработки. Одной из стадий получения из угольного сырья товарного продукта, в том числе экспортного назначения, является обогащение на горно-обогатительных фабриках (далее – ГОФ). При реализации технологии ГОФ имеются побочные продукты, которые относятся, с одной стороны, к отходам производства, а с другой – представляют потенциал в качестве топливных вторичных энергетических ресурсов. При этом только в одном Кузбассе накапливается около 30 млн тонн угольного шлама [2]. Проблема переработки шламов является важной задачей, так как переполненные шламохранилища или гидроотвалы наносят большой вред окружающей среде. Выход шламов на обогатительных предприятиях составляет до 10% [3].
Существует несколько способов переработки угольного шлама [4]: химический, термический и физический способ.
Химическая переработка включает: производство ВУТ [5]; производство удобрений [6].
Метод термической переработки включает: сжигание и газификацию [7]; применение масляной агломерации [8].
Физический способ переработки включает в себя: складирование; использование в качестве стройматериала; обезвоживание и брикетирование [9] и нетермическую сушку мелкодисперсного угля [10].
Преобразование шлама в топливо (ВУТ или брикеты) является перспективным для ГОФ, так как на обогатительных фабриках имеется потребность в тепловой энергии, которая покрывается собственными котельными с котлами со слоевым сжиганием топлива. В данной работе рассматривается возможность сжигания шлама в виде водоугольного топлива (ВУТ). Угольные шламы содержат в себе как органическую, так и минеральную части. Основной проблемой угольных шламов является их высокая зольность (до 50%) и тонкодисперсность (менее 1 мм) [11], что ставит большой вопрос о целесообразности использования их без какой-либо подготовки в качестве топлива для предприятий энергетического комплекса. Обогащение угольных шламов или переработка их в композитное топливо позволит получить ценную топливную продукцию с минимальными затратами и теплотехническими характеристиками, пригодную для эффективного сжигания в энергоустановках.
Согласно изученным источникам [12], сжигание в вихревой адиабатической топке через форсунки суспензионного водоугольного топлива из различных марок углей с добавлением нефти и отработанных масел, метилового и этилового спиртов показало высокую эффективность. Водоугольное топливо из углей разной степени метаморфизма и тонкодисперсных угольных шламов ГОФ, даже с максимально низкими теплотехническими характеристиками, можно использовать в качестве топлива в энергетике [13-15].
Целью исследования является изучение возможности использования шлама ООО «ГОФ Анжерская» в качестве водоугольного топлива.
Материалы и методы исследования
В качестве сырья в работе использовались 3 образца шлама, предоставленные ООО «ГОФ Анжерская».
Результаты технического анализа, выполненного согласно методикам ГОСТ, представлены в таблице 1. Теплота сгорания была получена с использованием калориметра Leco AC500.
Из таблицы 1 видно, что зольность у шламов 1 и 2 находится на уровне добываемых углей марки Д некоторых месторождений. В связи с этим калорийность данных шламов по высшей теплоте сгорания достаточно высокая, более 5000 ккал. Отметим, что выход летучих веществ у шлама 1 и 2 низкий и составляет 10-14%. Это свидетельствует о том, что процесс горения можно организовать при более высокой температуре в слое колосниковой решетки и в объеме топки. Также отметим, что шлам 3 имеет высокую зольность, более высокую влажность по сравнению со шламами 1 и 2 и низкий выход летучих веществ, на уровне 6%. По этой причине теплота сгорания составляет 2921 ккал. Также по методике ГОСТ был проведен рассев шлама с целью определения гранулометрического состава проб шлама. Результаты представлены на рисунке 1.
По результатам анализа гранулометрического состава всех проб шлама определено, что в образцах 1, 2 и 3 гранулята крупностью менее 160 мкм находится незначительное количество и составляет от 3,1 до 5,7 мас.%. Это свидетельствует о том, что шламы имеют средний по крупности размер зерен. Основное массовое содержание по размеру гранулята находится выше 200 мкм, т.е. более 90 мас.%. Отметим, что размер частиц более 1 мм составляет от 5 до 11 мас.%. Это свидетельствует о том, что горение шламов 1 и 2 в виде водоугольного топлива (ВУТ) может начинаться в объеме топки с размерами частиц менее 160 мкм, а более крупные частицы будут гореть в слое, в котором температура достигает не менее 1200 ºС, предварительно прогреваясь при движении в топке от форсунки до горящего слоя на решетке.
Таблица 1
Технический анализ шлама
|
Образец |
Зольность, % |
Влажность, % |
Выход летучих, % |
Теплота сгорания, МДж/кг |
|
Шлам 1 |
24,45 |
14,55 |
10,67 |
21,16 |
|
Шлам 2 |
22,78 |
10,92 |
13,73 |
23,79 |
|
Шлам 3 |
43,83 |
17,35 |
5,90 |
12,23 |
а) 
б) 
в) 
Рис. 1. Гранулометрический состав шлама: a – шлам 1; б – шлам 2; в – шлам 3
Результаты исследования и их обсуждение
С целью определения пригодности шлама в качестве ВУТа для котла со слоевой топкой (на котельной ГОФ установлены 3 котла КВМ-1,6 (Гкал/ч) с шурующей планкой) и обоснования предполагаемых условий горения были проведены исследования задержки зажигания. Экспериментальные исследования времени задержки зажигания проводились при температуре 800 ºС с использованием установки, состоящей из программируемой муфельной печи Plavka.Pro ПМ-2ПТР, высокоскоростной камеры Photron FASTCAM Mini UX и устройства для подачи образцов в камеру печи. Для исследований были подготовлены образцы ВУТ (смесь воды и шлама) с достижением консистенции ВУТ уровня текучего состояния.
С использованием высокоскоростной камеры Photron FASTCAM Mini UX были получены изображения капель во время зажигания и прекращения горения, которые представлены на рисунке 2.
Как по сохранению формы зольного остатка процесса горения формы капли ВУТ, так и по изображениям на рисунке 2 можно сделать вывод, что горение ВУТа из шлама относится к модели прочного золового каркаса, описанного авторами в работе [16]. В данной работе были описаны модели горения твердого топлива. Согласно этой модели предполагается, что размер частицы остается постоянной величиной.
После получения из шлама ВУТ, путем добавления в него воды, экспериментальным путем была определена его плотность. Как видно из рисунка 2, размер капли до горения и после горения не изменился. Принимая, что размер капли постоянная величина и зная плотность ВУТ, определили массу капли ВУТ. Результаты определения времени задержки зажигания и длительность горения капель представлены в таблице 2.
Рис. 2. Начало горения: a – ВУТ из шлама 1; в – ВУТ из шлама 2; д – ВУТ из шлама 3; конец горения: б – ВУТ из шлама 1; г – ВУТ из шлама 2; е – ВУТ из шлама 3
Таблица 2
Задержка зажигания
|
Образец |
tпечи = 800° |
|||||||
|
Масса частицы, мг |
Условный диаметр частицы, мм |
Объем образца, нм3 |
Плотность ВУТ, кг/м3 |
Масса капли ВУТ, мг |
Начало горения, с |
Конец горения, с |
Время горения 1 г, с |
|
|
Шлам 1 (WP = 50%) |
50,50 |
5,00 |
65,42 |
1543,87 |
101,00 |
20,788 |
38,496 |
175,33 |
|
Шлам 2 (WP = 45%) |
45,00 |
4,66 |
55,96 |
1462,12 |
81,82 |
20,152 |
38,016 |
218,33 |
|
Шлам 3 (WP = 45%) |
24,90 |
4,00 |
33,49 |
1352,64 |
45,30 |
22,260 |
69,884 |
1051,30 |
Задержка зажигания более 20 секунд косвенно свидетельствует о низкой реакционной способности (высокой энергии активации) ВУТ из шламов, что коррелирует с низкими значениями выхода летучих у представленных образцов. При этом шлам 3 имеет зольность 43%, а шламы 1 и 2 – 23-25%, в связи с этим длительность горения шлама 3 значительно превышала время горения других образцов при меньшем объеме испытываемого образца.
Заключение
В заключение можно отметить, что полученные результаты исследования показали:
– использование угольного шлама ООО «ГОФ Анжерская» в качестве водоугольного топлива может быть проблематичным вследствие малого показателя выхода летучих, и требуются дополнительные испытания на действующем котле;
– для ускорения процесса зажигания можно вводить присадку в ВУТ жидких органических компонентов, частично замещающих воду, например отработанного машинного масла, что создаст положительный эффект уменьшения задержки зажигания топлива.
Библиографическая ссылка
Вилисов Н.Д., Фадеев П.И., Ушаков К.Ю., Богомолов А.Р. АСПЕКТЫ ГОРЕНИЯ ВОДОУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА ИЗ УГОЛЬНОГО ШЛАМА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2024. – № 11. – С. 40-44;URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=13670 (дата обращения: 22.12.2024).