Общая характеристика технологии приготовления ВУС и трубопроводного транспорта к потребителю.

Возрастание роли твердого топлива в топливно-энергетическом балансе страны, обусловленное увеличением затрат по добыче нефти и газа из-за отработки месторождений в освоенных регионах, потребует увеличения объемов добычи угля и перевода энергопроизводящих станций с мазута и газа на водоугольное топливо. Исследованиями отечественных и зарубежных специалистов доказана техническая возможность и экономическая целесообразность магистрального транспорта угля по трубопроводам. Углепроводы, по сравнению с железнодорожным транспортом, обладают рядом преимуществ: непрерывностью и равномерностью потока, постоянством (усреднением) качества доставляемого продукта, независимостью работы от условий погоды, отсутствием негативного влияния на окружающую среду и потерь при транспортировании. Кроме того, они обладают значительной пропускной способностью при небольшом количестве обслуживающего персонал, и высоким потенциалом автоматизации транспортных и погрузочно-разгрузочных операций.

Исследованиями установлено влияние производительности и расстояния транспортирования на удельные эксплуатационные затраты (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Удельные эксплуатационные затраты на гидротранспорт

(в ценах на 1 т/км угля)

В этой же работе показано влияние дальности транспортирования на капиталовложения и эксплуатационные издержки в системах трубопроводного транспорта водоугольных суспензий при пропускной способности углепровода 10 млн. т в год, концентрации угля – 70 %, скорости течения 0, 9 м/с и удельных потерях давления по длине – 64, 26 кПа/км (табл.1.2).

Таблица 1.2

Экономические показатели углепроводов

В 1987 г. Совмином СССР был утвержден проект трубопровода Белово-Новосибирск с мощностью по переработке до 3 млн. т угля в год. Сметная стоимость строительства пускового комплекса мощностью 1, 2 млн. т в год составляла $ 212, 3 млн. (в ценах 1984 г.). Однако по разным причинам до сих пор устойчивая эксплуатация этого углепровода с диаметром труб 530 мм и протяженностью 262 км не достигнута.

В мире накоплен значительный практический опыт магистрального трубопроводного транспорта ВУС. Среди многих стран выделяются США, которые располагают практическим опытом сооружения и эксплуатации углепроводов большой протяженности. В период 1957-1963 гг. в штате Огайо действовал углепровод протяженностью 175 км и пропускной способностью 1, 2 млн. т угля в год. В 1970 г. построен второй углепровод “Black Mesa” протяженностью 440 км и грузопотоком 4, 8 млн. т угля в год [2]. Этот трубопровод обслуживают примерно 50 человек, работающих в три смены.

В различных штатах США спроектированы углепроводы общей протяженностью порядка 20 тыс.км суммарной пропускной способностью 250 млн. т в год [3]. Характеристика этих углепроводов приведена в табл. 1.3.

Все проекты находятся на различных стадиях реализации по причинам территориально-правового характера и противодействия железнодорожных компаний.

Таблица 1.3

Характеристики углепроводов США

Во Франции фирма “Nevtec” намерена сооружать углепровод пропускной способностью 0, 33 млн. т угля в год и протяженностью в 7, 2 км от завода по подготовке угля в г. La Yauve до ТЭЦ в г. Emile. Немецкой фирмой Зальгиттер проектируется углепровод для сталелитейных заводов (протяженность – 220 км, пропускная способность – 3-4 млн.т в год).

Итальянская фирма “Tesle Montalcone” участвовала в сооружении углепровода из Польши в Австрию. Его длина 400 км, пропускная способность – 5 млн.т в год.

В КНР с привлечением компании “Bechtelinternational Service Inc” запроектирован углепровод с пропускной способностью 30 млн.т угля в год от шахт Чжунге-эр к крупным ТЭС в городах Циньхуандао. Цэисянь, Чжанцэянкпу и Даиго и к порту Циньхуандао. Проектная стоимость – $ 2 млрд.

В Индии строится углепровод протяженностью 100 км с пропускной способностью 26 млн.т угля в год. Проектная стоимость углепровода – $ 100 млн. Этот углепровод – первый этап создания в Индии крупного углепровода Бихар – Пенджаб протяженностью 2500 км.

Таким образом, зарубежный опыт проектирования, строительства и эксплуатации действующих углепроводов показывают, что в настоящее время определилась тенденция ускоренного развития магистрального гидротранспорта угля как в еще не освоенных районах, так и в районах с развитой инфраструктурой транспортных средств.

За рубежом эксплуатируются или находятся в стадии проектирования магистральные трубопроводы для гидравлического транспорта, как угля, так и других насыпных материалов, в основном продуктов переработки минерального сырья (концентратов руд цветных и черных металлов). [4-12]. Из данных видно, что дальность транспортирования в этих системах составляет от нескольких сотен до тысяч километров, годовая производительность до 45 млн. т продукта; в основном применяются насосы объемного типа (плунжерные, поршневые и мембранные), развивающие большие давления; содержание твердых частиц в объеме перекачиваемой смеси (пульпы или суспензии) до 60%, а диаметр используемых трубопроводов в зависимости от производительности систем по твердому материалу – от 200 мм до 500 мм.

1.4 Классификация водоугольных суспензий и их характеристики.

Водоугольные суспензии – это смеси угля с водой, возникшие вначале в виде отходов мокрых процессов обогащения и побочных продуктов обезвоживания угля. Первые попытки использования водоугольного топлива и разработанные для этого составы ВУС относятся к середине 1960-х началу 1970-х годов, табл. 1.4.

Таблица 1.4

Первые установки приготовления и сжигания ВУС

Водоугольные суспензии характеризуются следующими основными параметрами и технологическими признаками; гранулометрическим составом, в том числе максимальной крупностью угольных частиц в суспензии, массовой долей твердой фазы, зольностью угля в суспензии, реологическими характеристиками, наличием или отсутствием реагентов-пластификаторов, способностью сохранять свойства при хранении и транспортировании.

В соответствии с граничными значениями диапазонов изменения максимальной крупности частиц и их долей в суспензии предлагается следующая классификация ВУС по группам, табл. 1.5 [13].

Таблица 1.5

Классификация угольных суспензий

Параметры	Обозначение и единица измерения	Диапазон изменения параметра	Вид водоугольной суспензии
Максимальная крупность частиц в суспензии	, мм	< 0.01	Ультратонкие
0.010< < 0.5	Тонкодисперсные
0.2< < 13	Грубодисперсные
13 <	Угольные шламы
Массовая доля твердой фазы в суспензии	, %		Низкоконцентрированные
	Среднеконцентрированные
	Высококнцентрированные
	Угольные пасты
Зольность угля в суспензии	, %		Ультрачистые
	Малозольные
	Среднезольные
	ВУысокозольные
	Отходы

При гидравлической и механогидравлической добыче угля образуются низко концентрированные угольные пульпы с максимальной крупностью частиц до 100 мм. Гидротранспорт угольных пульп осуществляется, как правило, на небольшие расстояния (до 10-15 км) с помощью высоконапорных насосов по трубопроводам в турбулентном режиме.

Для магистрального гидротранспорта на расстояние 100 км и далее наиболее приемлемыми являются грубодисперсные средне концентрированные и тонкодисперсные высококонцентрированные водоугольные суспензии (трубопровод «Блэк Месса» и опытно-промышленный углепровод «Белово-Новосибирск»).

Высоконцентрированные водоугольные суспензии являются готовым энергетическим топливом, максимальная крупность частиц твердой фазы в котором соответствует при пылевидном сжигании угля (от 200 до 500 мкм). Крупность частиц в водоугольных суспензиях, предназначенных для сжигания в тепловых двигателях, должна быть значительно меньше (не более 10 мкм), для того чтобы обеспечить максимальное выгорание топлива при малом времени пребывания в активной зоне горения.

Вода в суспензии является инертным материалом, снижающим теплотворную способность топлива. Поэтому в процессе приготовления необходимо добиваться максимального значения массовой концентрации твердой фазы, при обеспечении необходимой текучести суспензии. Эффективными способами для достижения оптимального с точки зрения теплотворных свойств и транспортабельности водоугольных суспензий является управление гранулометрическим распределением частиц твердой фазы и применение реагентов-пластификаторов.

Одной из важнейших характеристик водоугольных суспензий является их зольность, определяемая содержанием негорючих минеральных компонентов в рабочей массе водоугольной суспензии, а фактически в исходном угле. Повышение зольности угля в водоугольной суспензии, также как и влажности приводит к снижению энергетической ценности топлива. Наибольшая эффективность использования и экологическая чистота топлива обеспечивается естественно при сжигании ультрачистых и малозольных суспензий, но при этом резко повышается стоимость приготовления суспензии. Отметим, что в настоящее время процесс глубокого обогащения углей, для обеспечения зольности рабочей массы угля в диапазоне 1-2, 5%, находится в стадии разработки.

Важнейшими характеристиками водоугольных суспензий, как искусственного энергетического топлива, определяющими теплотворную способность и транспортабельность, являются реологические параметры и стабильность т.е. способность сохранять внутреннюю структуру и длительное время не расслаиваться на жидкую и твердую фазы. Характерные свойства ВУС формируются на стадии приготовления суспензии из исходного энергетического угля марок Г (газовый) или Д (длиннопламенный). Исходная крупность угля может быть класса: крупный (К) - 50…100 мм; орех (О) – 25…50 мм; мелкий (М) – 13…25 мм. Могут быть и более мелкие классы исходного угля, например, штыб (Ш) – 6 мм. Исходная крупность угля в конечном итоге определяет себестоимость водоугольной суспензии. Основная доля затрат приходится на дробильные и измельчительные операции технологического процесса приготовления ВУС.