Способ получения жидкого угольного топлива

Изобретение относится к способу получения жидкого угольного топлива, который включает гомогенизирование продуктов термического передела угля, при этом осуществляют совместное гомогенизирование полукокса, смольной фракции и подсмольной воды таким образом, что полукокс фракции 3-5 мкм суспендируется в микрокапли смольной фракции, которые являются дисперсной фазой эмульсии с дисперсной средой в виде подсмольной воды, а получаемое топливо приобретает кинематическую вязкость 10-40 cSt при температуре 50°С. Технический результат - получение среднекалорийного, маловязкого и малоабразивного жидкого угольного топлива. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к области получения жидких топлив из твердого топлива для сжигания в топках котлов теплоэлектростанций.

В последние десятилетия активно разрабатываются технологии ожижения угля в качестве альтернативы углеводородному топливу. Одним из таких альтернативных топлив является водоугольное топливо (ВУТ).

Известно значительное количество способов получения ВУТ, например, SU 150100; SU 205201; SU 278944; SU 799800 и другие технические решения, изложенные в специальной технической литературе, например, «Водоугольное топливо» Круть А.А. - М.: Мысль, 2002 - 169 с. или «Физико-технические свойства водоугольного топлива» Мурко В.И. - Кемерово: ГУ КузГТУ, 2009 - 195 с.

Типовая технология приготовления ВУТ состоит из последовательности следующих операций. Уголь доставляется на открытую площадку. Фронтальный погрузчик подает уголь в приемный бункер двухвалковой дробилки, откуда размолотый до фракции 3…6 мм уголь направляется для дальнейшего помола в шаровую мельницу, в которую с помощью дозаторов подается техническая вода и присадка. Осуществляется мокрый помол угля с присадкой до фракции 0…300 мкм. Затем ВУТ через фильтр загружается в накопительные емкости, снабженные перемешивающими устройствами, ВУТ фракции 71…300 мкм возвращается в мельницу на домол. Готовое ВУТ фракции <70 мкм из накопительных емкостей перегружается в цистерны для транспортировки к месту сжигания.

Полученное известными способами ВУТ обычно характеризуется следующими параметрами:

- содержание угля: от 60 до 65%;

- вязкость: менее 1200 мПа/с;

- теплота сгорания (низшая): от 4000 до более 4700 ккал;

- зольность: от менее 6 до 10%;

- содержание серы: от менее 0,25 до 0,80%;

- температура плавления золы: менее 1250°С;

- частицы более 300 мкм: от менее 0,05 до 0,80%;

- частицы до 75 мкм: более 75%;

- содержание летучих: от менее 20 до более 30%.

Базовыми недостатками ВУТ являются затраты энергии при сжигании на фазовый переход суспензионной воды из жидкого состояния в парообразное, расслаивание суспензии в состоянии покоя, относительно высокая вязкость и значительная абразивность топлива. Опыт получения, хранения и сжигания ВУТ свидетельствует о следующих фактах:

- на каждую 10% влаги тратится 1% теплотворной способности угля;

- типовое ВУТ сохраняет стабильность при хранении (не расслаивается) в течение 1…2 суток, что требует использования специальных присадок-пластификаторов;

- при соотношении твердого к жидкому от Т:Ж=3:2 до Т:Ж=7:3 вязкость топлива увеличивается до значений 1500 мПа/с и более, что требует включать в технологическую схему сжигания ВУТ насосы второго подъема для создания избыточного давления топлива на форсунке более 0,5 МПа и применять подогреватели топлива для его подогрева перед сжиганием до температур более 80°С;

- без принятия специальных мер механические форсунки при сжигании типового ВУТ работают не более 40 часов из-за абразивного износа (из опыта Новосибирской ТЭЦ-5 в 1985-1995 гг.).

Известны жидкие угольные топлива (ЖУТ) и способы их получения, существенно снижающие базовые недостатки ВУТ.

Главным отличием ЖУТ от ВУТ являются получение и использование в качестве компонентов дисперсной системы продуктов термического передела угля.

Известен способ получения жидкого топлива из бурого угля путем его гидрогенизации с использованием отдельных продуктов реакции того же процесса (RU 2110553).

Недостатком известного способа является необходимость проведения гидрогенизации угля, которая ведется периодически в автоклаве, длительное время, с использованием катализаторов, ультразвуковой обработкой и при высоких давлении и температуре.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному изобретению является известный способ переработки твердого топлива в жидкое по патенту RU 2446202 - прототип.

В способе-прототипе переработку твердого топлива в жидкое ведут путем эмульгирования твердой углеродосодержащей фракции с жидкой, причем в качестве твердой углеродсодержащей фракции используют измельченный до фракции 20 мкм полукокс, полученный в результате процесса полукоксования твердого топлива, а в качестве жидкой фракции используют жидкие продукты полукоксования того же топлива (жижка), кроме того, эмульгирование ведут до состояния золя с доведением твердой фракции до размера золовых частиц, а после эмульгирования фракцию золы выделяют из геля путем центрифгирования с получением отдельно геля и золы, а несконденсированные газы полукоксования используют путем сжигания для предварительной сушки твердого топлива. Нивелируя базовые недостатки ВУТ способ получения ЖУТ по прототипу обладает следующими недостатками.

Необходимость преобразования дисперсной системы «полукокс-жижка» по схеме «эмульсия-золь-гель» требует энергозатрат существенно больше, чем при получении ВУТ (10 кВт*час/т) за счет эксплуатации в течение долгого времени низкопроизводительных эмульгаторов и центрифуг осадительного типа для получения промышленных объемов ЖУТ.

При этом получаемая вязкость ЖУТ требует включения в топливную схему насосов второго подъема для создания избыточного давления топлива на выходе из сопла форсунки и применения дополнительных подогревателей топлива перед его сжиганием.

Поставлена задача - сократить эксплуатационные и капитальные затраты на получение жидкого угольного топлива, увеличить производительность переработки угля и снизить стоимость получаемого топлива. Поставленная задача решена следующим образом. Получение жидкого угольного топлива ведут путем суспендирования твердой углеродсодержащей фракции в жидкой в процессе совместного гомогенизирования продуктов пиролиза угля, причем в качестве твердой углеродсодержащей фракции используют измельченный до фракции 3-5 мкм полукокс, полученный в результате процесса полукоксования твердого топлива, а в качестве жидкой фракции используют смольную фракцию полукоксования того же топлива. Затем полученная суспензия в процессе гомогенизации эмульгируется с подсмольной водой, полученной в том же процессе полукоксования, или с суспензией измельченного до фракции 3-5 мкм твердого топлива в качестве дисперсной фазы и подсмольной воды в качестве дисперсной среды. Таким образом, по предложенному способу получают тонкодисперсную систему в виде эмульсии типа «масло/вода», в которой дисперсная фаза представляет собой суспензию полукокса и смольной фракции (угловатые микрочастицы полукокса в сферических микрокаплях смольной фракции), а дисперсная среда представляет собой химически активную подсмольную воду или твердотопливную суспензию. Кинематическая вязкость полученного топлива при 50°С равна 10-40 cSt.

Активные смолистые вещества дисперсной фазы эмульсии («масло») в виде широкого спектра циклических углеводородов, являющихся донорами водородного растворителя углеродсодержащей фазы полукокса и сильными поверхностно-активными веществами, будут в каждой микрокапле растворять микрочастицы полукокса, делая их форму более «скользкой» и менее абразивной. Активные химические соединения дисперсной среды эмульсии («вода» = подсмольная вода) в виде, например, ацетатаммония исполняют роль эмульгатора, приближая величину натяжения между фазой «масло» и фазой «вода» к критическому значению в 10^-5 Дж/м², когда происходит самопроизвольное образование эмульсии. Самостабилизация эмульсии происходит за счет наличия у такого эмульгатора сродства углеводородных радикалов к фазе «масло», сбалансированного сродством полярных групп к фазе «вода».

Оценки вязкости ЖУТ, например, по формуле (Марченко Р.Т. Физическая и коллоидная химия. - М.: Высшая школа, 1965 - с. 331-332):

где - вязкость дисперсионной среды; - объемная концентрация дисперсной фазы; А и В - константы, характеризующие форму частиц дисперсной фазы, показывают существенные различия значений абсолютной и кинетической вязкости ЖУТ-геля по прототипу и ЖУТ по изобретению. Так, например, для температуры 50°С оценки кинематической вязкости ЖУТ-геля находятся в диапазоне 50-100 cSt, для ЖУТ по изобретению - 10-20 cSt (дисперсная среда - подсмольная вода) и 20-40 cSt (дисперсная среда - угольная суспензия).

Способ получения ЖУТ по сравнению с прототипом обеспечивает следующие технические преимущества:

- снижает затраты на гомогенизацию дисперсной системы: по прототипу твердые частицы размером 20 мкм изменяют размеры на три порядка - до 1-100 нм, в изобретении частицы в процессе имеют начальный размер ~100 мкм, а конечный 3-5 мкм;

- исключает операцию обеззоливания геля;

- вязкость суспенизонно-эмульсионной жидкой топливной системы существенно ниже вязкости топливного геля - твердообразной текущей системы, образованной коллоидными частицами в форме пространственного сетчатого каркаса, ячейки которого заполнены иммобилизованной жидкостью;

- снижает затраты на производство 1 т ЖУТ за счет снижения эксплуатационных и капитальных затрат;

- капитальные затраты снижаются за счет отсутствия необходимости приобретения парка технологического оборудования: центрифуг; насосов; подогревателей;

- эксплуатационные затраты снижаются за счет отсутствия необходимости эксплуатации в дополнительное время ударного или кавитационного эмульгатора, центрифуг, насосов и подогревателей топлива.

Пример возможного использования изобретения можно привести на базе Таловского буроугольного месторождения Томской области РФ.

Бурый уголь - сырец, добытый в сухоройном карьере, обладающий калорийностью 2800-3200 ккал/кг, зольностью 20-30% и влажностью 40-50%, подается в прямоточную барабанную сушилку и после сушки, при влажности 8-16%, направляется в пиролизную печь, где претерпевает термический передел при температуре 340-460°С без доступа воздуха на твердый, жидкие и газообразный компоненты. При этом газ пиролиза включен в оборотную схему процесса в качестве сушильного агента барабанной мельницы (дымовые газы от его сжигания).

Опытная переработка бурого угля на пиролизной установке ООО «НПП» БИОТОП» (10-20 тыс. т угля в год) обеспечивает следующий выход компонентов в пересчете на 1 т абсолютно сухого бурого угля:

- полукокс 4500-5500 ккал/кг - 44%;

- смольная фракция 5000-10000 ккал/кг - аналог топочного мазута марки М40 - 20%;

- подсмольная вода - 16%;

- газ пиролиза 5000-5600 ккал/кг - 11,4%;

- потери - 8,6%.

Полученный полукокс измельчают в вибромельнице типа ВМ-200 (или ВМ-400) и фракцию менее 150 мкм через классификатор подают в гомогенизатор типа ГУУМП, куда вводят смольную фракцию и подсмольную воду (угольную суспензию). Гудроударный узел мокрого помола гомогенизирует смесь, образуя суспензию - дисперсную систему первого порядка - микрочастичек полукокса размерами 3-5 мкм в микрокапельках смольной фракции размерами 6-10 мкм в эмульсии - дисперсной системе второго порядка - микрокапельки смольной фракции в подсмольной воде.

В результате непрерывного технологического процесса из влажного бурого угля получаем ЖУТ с теплотворной способностью 4700-5500 ккал/кг и кинематической вязкостью менее 40 cSt.

Минеральная составляющая ЖУТ из таловских бурых углей при сжигании в топках, например, Томской ТЭЦ-3 благодаря высокотемпературному воздействию при 950-1250°С будет выделять в пыли дымовых газов и нагаре ценные летучие рассеянные элементы в виде оксидов мышьяка, германия, галлия и других (сырье для местной полупроводниковой промышленности), а в золе будет концентрироваться рубидий, цезий, скандий, литий, бериллий, ванадий (сырье для Сибирского химкомбината).

Таким образом, заявленный способ обеспечивает технический результат, состоящий в получении из низкокалорийного твердого углеродсодержащего сырья с приемлимым выходом среднекарорийного, маловязкого, малообразивного жидкого топлива, пригодного для эффективного сжигания.

1. Способ получения жидкого угольного топлива, включающий гомогенизирование продуктов термического передела угля, отличающийся тем, что осуществляют совместное гомогенизирование полукокса, смольной фракции и подсмольной воды таким образом, при котором полукокс фракции 3-5 мкм суспендируется в микрокапли смольной фракции, которые являются дисперсной фазой эмульсии с дисперсной средой в виде подсмольной воды, а получаемое топливо приобретает кинематическую вязкость 10-40 cSt при температуре 50°С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в дисперсную среду эмульсии суспендируют уголь фракции 3-5 мкм.