Технологий, обеспечивающая новое качество массового угольного топлива в тепло- электроэнергетике: технологии получения и сжигания ультродисперсного водоугольного геля

Вид материала

Содержание

ОАО «НОВОСИБИРСКТЕПЛОЭЛЕКТРОПРОЕКТ» НП «СИБИРСКИЙ ЭНЕРГО ПАРК» Менеджер проекта: Проф.Федосеев Валерий Иванович
5.Общий менеджмент.- Новосибирск, Изд-во «Наука», 2006г. 6. Толковый словарь: инновационная деятельность.- «Сибирское Научное Из
4. Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта. Новизна предлагаемого подхода по сравнению с из
5. Сущность предлагаемой разработки.
6. Права на интеллектуальную собственность.
7. Конкурентные преимущества Технологические преимущества Экологические преимущества Эстетические преимущества
8. Рынок сбыта.
9. Порядок коммерциализации результатов разработки.
10. Состояние и источники инвестирования в реализацию проекта.
11. Предстоящие затраты по проекту.

Подобный материал:

Заявка 2 тура

Номинация: «Инновационный проект»

тема проекта: «Система технологий, обеспечивающая новое качество массового угольного топлива в тепло- электроэнергетике: технологии получения и сжигания ультродисперсного водоугольного геля»

реализация проекта; Модернизация действующей угольной(мазутной) котельной ЖКХ, создание на её базе титульной демонстрационной котельной. Подготовка франчайзингового стандарта модернизации и работы котельной на новом топливе, продажа лицензий и франшизы с консультационной поддержкой новой системы технологий генерации тепла.

2. Аннотация проекта.

рекомендуемая область применения: Тепло- и электроэнергетика, ЖКХ, угледобывающая промышленность.

Основное назначение проекта – провести разработку и подготовить франчайзинговый стандарта котельной ЖКХ(на примере демонстрационной котельной), использующей инновационные технологии производства ультродисперсного водоугольного топлива из углей и отходов углеобогащения (отсевы, шлаки, кеки, микроника после гидродобычи и т.д.), двух стадийной технологии сжигания нового топлива в кипящем слое, технологии золоудаления и переработки полученной золы в искусственный грунт и строительные материалы.

научно-технические аспекты проекта: Уголь всегда был, и сейчас остается самым привычным

и сравнительно легко доступным природным топливом. Даже если отказаться от использования всех других ныне

известных источников энергии, человечество сможет еще не одну сотню лет черпать ее из горных запасов угля. Исторически непрерывно происходит переход на все более зольные и менее калорийные угли. Проблемы обеспечение экологической и энергетической безопасности страны делают особо приоритетными инновационные технологии в угольной генерации тепла и электроэнергии, отличающиеся экологическими, технологическими и экономическими преимуществами. Именно к этой группе относится предлагаемая в проекте новая система технологий угольной генерации тепла. В силу объективных ограничений система технологий производства и использования нового топлива рассматривается ограниченно, только в связи с решением актуальной задачи модернизации котельных ЖКХ.

В этом направлении существуют следующие, основные инновационные направления новых разработок и трансферта:

Создание новых видов жидкого угольного топлива, отличающихся свойствами пластичности, низкой абразивности и способного эквивалентно заменить мазут и частично газ;
Новые технологии транспортирования и хранения угольного топлива
Новые технологий сжигания угля: в кипящем слое, в кипящем слое с катализаторами, многоступенчатой системы сжигания топлива;
Новые технологий утилизации газовых отходов, золы и шлака.

Нужны новые технологии, позволяющие использовать достоинства угля, но свести к минимуму сложности его применения и экологические последствия использования угля в качестве топлива.

Современные исследования и проведенные опытно-конструкторские разработки позволяют сформировать два независимых и взаимодополняющих варианта инновационной стратегии в угольной энергетике. Это варианты; 1)газификация угля и сжигание газа; 2) производство модифицированных угольных топлив и соответствующей технологии их сжигания. Второе направление является основой рассматриваемого проекта.

Возможные экономические, социальные и экологические результаты реализации проекта.

Потенциальные возможности новых технологий проекта для энергетического комплекса страны, региона, компании ТЭС:

- снижение стоимости производства единицы тепла и электроэнергии при переходе с мазутных, газовых тепло- и электроэнергетических технологий;

- снижение стоимости производства единицы тепла и электроэнергии при переходе со слоевой и пылеугольной технологий сжигания угля;

- сокращение инвестиционной доли техпроцессов получения, разгрузки, хранения и подготовки угольного топлива сжиганию в полных инвестициях новых ТЭС;

- увеличение полноты сгорания угольного топлива до 99.5%;

- сокращение объемов экологически вредных отходящих газов на единицу мощности угольных ТЭС;

- сокращение потерь угля на всех этапах технологического цикла угольной тепло- электроэнергетики;

- сокращение и ликвидация отвалов шлака и золы;

- эффективная и относительно мало затратная рекультивация существующих шлако- и золоотвалов;

- уменьшение экологических отходов, почти полная ликвидация отходов с углеродной составляющей угольных обогатительных фабрик;

- автоматизация процессов транспортировки и подачи топлива на сжигание;

- упрощение технологии этапа подготовки топлива(угля) перед сжиганием;

- ликвидация взрыво- пожароопасности подготовительного этапа сжигания угля угольной генерации;

- улучшение условий труда на угольных котельных и ТЭС.

Схемы коммерциализации технологии и мероприятий по внедрению полученных результатов.

Разработанная система технологий генерации тепла применительно к котельным ЖКХ, основанная на использовании нового водоугольного топлива КаВУТ и Нано-уголь стандартизируется, проводится защита изобретений и полезных моделей по проекту, стандартизируются ноу-хау новых техпроцессов, применяемых в системе технологий, подготавливается франчайзинговый стандарт модернизации и организации работы котельной ЖКХ. Осуществляется реализации системы технологий на типичной котельной ЖКХ сибирского региона мощностью 10-20 МВт., котельная оформляется как «образцово-показательная», демонстрационная котельная, организуется центр обучения и консультационная группа разработчиков и эксплуатантов, которые будут информационно и консультационно поддерживать продажу франшизы и массовый трансферт новой технологии в теплоэнергетике ЖКХ региона. Далее расширение трансферта на другие региона страны.

3.Информация о заявителе

ОАО «НОВОСИБИРСКТЕПЛОЭЛЕКТРОПРОЕКТ»

НП «СИБИРСКИЙ ЭНЕРГО ПАРК»

Менеджер проекта:

Проф.Федосеев Валерий Иванович

E-mail. 77fff77@mail.ru

E-mail fvs51@mail.ru

Публикации:

1 Технологии и экономия топливных ресурсов на железнодорожном транспорте. Новосибирск, Изд-во СГУПСа, 2001г.

2..Концепция программирования инновационного развития на железнодорожном транспорте. Региональная научно-практическая конференция. Вузы Сибири и Дальнего Востока Транссибу. Тезисы докладов.- Новосибирск.2002г.

3. Методология проектирования Системы инновационного менеджмента(СИМК) корпорации РЖД.- Новосибирск, Изд-во СГУПСа, 2005г.

4. Методология управления инновационными процессами в крупной организации.- Новосибирск, Изд-во СГУПСа, 2005г.

5.Общий менеджмент.- Новосибирск, Изд-во «Наука», 2006г.

6. Толковый словарь: инновационная деятельность.- «Сибирское Научное Издательство», 2006г.

7. Толковый словарь: инновационная деятельность. Второе дополненное издание.- «Сибирское Научное Издательство», 2008г.

4. Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта. Новизна предлагаемого подхода по сравнению с известными.

Среди разрабатываемых технологий приготовления новых видов угольного топлива с изменением его свойств выделяются четыре: водоугольного топлива(ВУД), микроуголь, КаВУТ и Нано-уголь. Принципиально важным решением для угольной энергетики может стать переход от прямого сжигания угля как горной массы, на сжигание нового, измененного угольного топлива, приготовленного из углей различных качеств, в том числе и из отходов углеобогащения, нового угольного топлива с измененными структурными, физико-химическими и реологическими свойствами.

Исследования в этой области пошли по двум направлениям:

1) разработка специальных методов и технологий сухого измельчения угля, улучшающие возможность его сжигания.

Прежде всего, это технология «микроугля», разрабатываемая в Институте теплофизики СО РАН.

Преимущества ультратонкого помола ( 35 - 40 микрон):

- значительное увеличение площади твердой поверхности;

- высокая интенсивность горения;

- эффект механической активации;

- снижение выбросов NOx .

Возможное применение:

- как основного топлива для небольших газомазутных котлов;

- использование микроуглей вместо газа и мазута для воспламенения и розжига крупных котлов на твердом топливе;

- прямое сжигание микроуглей в газотурбинных установках.

Проблемы и недостатки:

- большие энергетические затраты на микропомол;

- малотоннажность существующих мельниц;

- взрывоопасность угольной пыли;

- высокая абразивность топлива, что уменьшает эффективность факельного сжигания.

2) разработка методов и технологий производства водоугольных суспензий. Идея жидкого топлива из углематериалов далеко не нова. С начала 70 х годов прошлого века в ряде стран, в том числе в США, Канаде, Италии и Китае, ведутся работы по исследованию и созданию опытно-промышленных, демонстрационных и коммерческих установок по производству и использованию ВУТ(водоугольного топлива).

По имеющейся у нас информации, технология приготовления жидкого топлива из углематериалов за рубежом, в том числе и в Китае, традиционная и состоит из двухступенчатого мокрого помола угля в шаровых мельницах, подмеса пластифицирующих и стабилизирующих химических присадок, подачи полученного продукта на хранение и последующее сжигание в камерных топках котлов. Такая технология была реализована в 80 е годы прошлого века в СССР в составе опытно-промышленного комплекса Белово- Новосибирская ТЭЦ-5. Опыт оказался не завершенным, но определенные результаты были получены, подтвердив оптимистические надежды на новое водоугольное топливо и выявив его недостатки, а именно:

- громоздкая, затратная и сложная технология приготовления ВУТ с большим разбросом фракционного состава, нестабильными характеристиками пластичности и необходимостью ввода экологически грязных химических добавок;

- неудовлетворительные технологические и экономические результаты сжигания ВУТ в камерной топке котла большой мощности из за низкого ресурса работы сопел форсунок (40 часов), необходимости постоянной подсветки факела и наличия значительного недожога топлива (более 15%);

- недостаточная пластичность и абразивность топлива, что усложняло его трубопроводную транспортировку.

В настоящее время разработано и испытано несколько технологий приготовления водоугольных суспензий, которые базируются на традиционных технологиях тонкодисперсного измельчения углей, смешивания их с водой, различными пластификаторами и стабилизаторами.

Исследования проведенные авторами и их коллегами позволил найти методы и разработать технологии значимого повышения пластичность и снижения абразивности водоугольного топлива, что позволило отказаться от использования угльного топлива как горной массы, в том числе в дисперсных формах – угольной пыли и ВУТ(водоугольного топлива). Определено, что приоритетной задачей науки и ОКР стала задача разработки методов и технологий создания нового жидкого угольного топлива за счет изменения его структурных, физико-химических и реологических свойств, существенного повышения пластичност водоугольной суспензии и снижения её абразивности. По своим теплотехническим характеристикам горения такое топливо приближается к мазуту.

Исследования и ОКР уже нынешнего века позволяют создать технологии производства новых видов угольного топлива водоугольный гель: 1) водоугольное топливо высокой дисперсности (модальная группа 25-60микрон); 2) ультродисперсное водоугольное топливо ( модальная группа менее 25 микрон до нано-величин) , которые получаются методом взрывной декомпрессии в высокоскоростном вихревом потоке и локального температурного воздействия на обрабатываемый материал (до 2000 гр.С и 25000 атм). Это самые революционные технологии - кавитационного приготовления водоугольного топлива разрабатываемые в Китае, США, России.

Китайские исследования Горная Академия Нан Кинь , информация засекречена. Известно, что удалось достичь ультродесперной диспергации каменного угля до уровня менее 30мкр модальной группы, достаточной пластичности и низкой абразивности., но технология малотоннажная. В Китае работают преподаватели химического факультета КарГУ (Технический университет г. Харбин) по теме «совместное научное исследование в области ожижения угля», владеющие информацией о российских разработках.

Американские исследования(США), Комитет по Энергетике и Окружающей среде Департамента Науки и Технологий программа "Жидкого Угля" (Coal-to-Liquid) в качестве части национальной энергетической политики. Диспергирование угля в водго-газовой среде является первым этапом приготовления топлива, далее жидкий уголь высушивается и упаковывается в специальные объемные вакуумные «Баги» и поставляется на ТЭС, где сжигается факельно по пылеугольной технологии.

Российские исследования – это скорее ОКР, осушествляемые отдельными конструкторами и их группами. Это разработанная авторским коллективом технология производства кавитационного водоугольного топлива КаВУТ(патенты Петраков А.Д., Радченко С.М., Карпов Е.Г., Алтухов А.М.,), технологии мельничной диспергации угля Института твердого тела СО РАН, технологии диспергации твердого тела методом взрывной декомпессии в вихревом потоке - угольный гель(ноу-хау Насатович Я.В, Федосеева В.И), обладающий большей пластичностью и низкой абразивностью, технологии высокотемпературного ожижения угля в автоклавах(патенты Рязанцев А.А.).

Полученные новые виды жидкого топлива КаВУТ и ультродисперсный угольный гель, с увеличенной долей ультра дисперсных фракций, долей угля в материале 80-90%, могут быть эффективно использованы не только для прямого сжигания, но и для приготовления сухого, ультродисперсного порошка угля. Проведенные эксперименты (Федосеев В.И., Насатович Я.В.), показали высокую эффективность производства угольных брикетов из КаВУТа и ультродисперсного угольного геля без использования пластификаторов методом пассивного застывания в форме, экструдерного прессования.

5. Сущность предлагаемой разработки.

Технической задачей, на решение которой направлен инновационный проект, является создание простого эффективного и энергоэкономного способа приготовления угольного геля из углей, отсевов и отходов углеобогащения (шламы, кеки, промпродукты), обладающего стабильными свойствами, высокой степенью выгорания углерода, экологической чистотой, низкой себестоимостью, пластичностью без применения каких-либо стабилизаторов, пластификаторов и т.д.

Поставленная задача достигается тем, что в заявленном способе кавитационное водоугольное топливо (КаВУТ и Нано уголь) получают в последовательном непрерывном процессе, включающем измельчение доставленного со склада сухого угля в молотковой дробилке до фракции 0-10 мм, перемешивание твердой топливной составляющей (60-75%) фракции 0-10 мм, либо перемешивание сухих отсевов или отходов мокрого углеобогащения (шламы, кеки, промпродукты) в смесителе со специально подготовленной(Ноу-хау) водой(или другой специальной жидкостью) , прошедшей кавитационную обработку, направлением смеси в кавитационный диспергатор крупного помола, последующей кратной разночастотной диспергацией тонкого измельчения. По завершении обработки водоугольный гель направляется в зумпф, из которого насосом перекачивается в накопительную емкость для хранения и подачи в топки котлов.

Вода из хозяйственно – питьевого водопровода или иных природных источников поступает в емкость, а затем направляется в кавитационный диспергатор – эмульгатор, газифицируется газами с высокой проникающей способностью в котором в результате специальной технологии происходит ее диссоциация по схеме: Н₂О > Н^- + ОН^- + е^{- .}В результате, выходя через свободную поверхность, ионы Н^-покидают воду, а гидроксильные группы ОН^- накапливаются, повышая щелочные свойства воды до РН = 8,5 – 9,0. Растворенный в жидкости газ инициируется и обеспечивается его частичное растварение в твердом теле.

Согласно полученным в ходе исследований и ОКР данным в результате взрывной декомпрессии образуется приблизительно 3 • 10⁸ пар радикалов, главным образом ОНи молекул Н₂О₂. После непродолжительного кавитационного воздействия с высокой плотностью кавитации РН воды возрастает до 8,5-9,0 за счет накопления гидроксильных групп ОН^- и выхода через свободную поверхность или присоединения к органическим радикалам Н⁺.

После подачи углей, отсевов, шламов, кеков или промпродуктов в виде породы отсадки в смеситель и перемешивания твердой составляющей (60 - 75%%) с прошедшей кавитационную обработку водой и дальнейшего направления смеси в кавитационный диспергатор крупного помола, а затем последовательно в диспергаторы тонкого помола, в которых в процессе кавитационного измельчения и деструкции частиц угля на фоне высокого РН = 8,5-9,0 происходит выделение гуминовых кислот и образование гуматов. Гуминовые кислоты и гуматы являются хорошими комплексообразователями, а наличие хелатных форм большинства органических соединений обеспечивают заданные свойства получаемой водоугольной суспензии, приобретающей желеобразное состояние, устойчивость против расслоения в течение длительного времени.

В отличие от обычно присущей углю, вне зависимости от способа его измельчения, гидрофобности, требующей для обеспечения устойчивости водоугольной суспензии (ВУС) введения в нее поверхностно-активных и других стабилизирующих добавок, Кавитационное водоугольное топливо (Нано уголь) из какого бы сырья не было приготовлено, стабильно на протяжении многих месяцев и пластично без каких-либо присадок при достигнутом содержании твердого от 60 до 75%% и выше..

Даже частично обезвоженное Нано уголь обладает ярко выраженной тиксотропностью, что гарантирует, при применении вибрационных технологий, надежную выгрузку концентрированного топлива из транспортных емкостей и ее подачу по трубопроводам.

Горение Нано уголь протекает по механизму, достаточно хорошо изученному при исследованиях ВУС, и характеризуется за счет повышенного содержания в зоне реагирования газифицирующего агента (водяных паров), при несколько сниженной температуре горения, соответствующим смещением соотношения интенсивности множества одновременно протекающих ценных реакций горения в зону газификационно - восстановительных процессов, что, в свою очередь, приводит к более глубокому внутридиффузионному проникновению реагирующих газов в объем отдельных частиц и их конгломератов, обеспечивающему, одновременно с высокой степенью использования топлива (до 99%), существенное (2 - 5 кратное) снижение генерации оксидов азота.

Кавитационное водоугольное топливо пригодно для прямого сжигания в котлах распылением форсунками, сжигания в котлах с циркулирующим кипящим слоем, в каталитических теплофикационных установках, распылением над слоем угля и т.д. при температурах в топке от 710 - 750⁰С до 1050 -1300⁰С и обжиговых печах при температуре до 1500⁰С.

Технологическая линия для осуществления способа приготовления кавитационного водоугольного топлива (КаВУТ и Нано уголь) работает следующим образом:

а) Линия кавитационного приготовления щелочной воды (РН 8,5-9,0), включающая емкость для хранения воды, устройства линейной кавитации воды и её газирования, объемный дозатор воды, кавитационые диспергаторы – эмульгаторы 1 и 2 стадий.

б) Линия подачи сухого угля, отсевов и т.д., включающая элеватор и приемный бункер. Предварительно измельченный уголь до фракции (0-10 мм), отсевы угля после сухого обогащения автомобильным или иным транспортом подаются в приемное устройство элеватора, который загружает измельченный уголь в приемный бункер. Из приемного бункера уголь или отсев направляется в смеситель первой ступени.

в) Кеки, шламы, промпродукты, высокозольная угольная микроника и другие отходы гидродобычи или мокрого углеобогащения автомобильным или иным транспортом доставляются в приемный бункер для шламов, кеков и т.д., из которого винтовым конвейером направляются в приемный бункер, а затем в смеситель первой ступени.

Водоугольная смесь из смесителя направляется в кавитационный диспергатор крупной диструкции, из которого полученная суспензия либо возвращается в смеситель, либо в смеситель второй ступени. Из смесителя второй ступени водоугольная суспензия направляется в кавитационный диспергатор тонкой диструкции второй ступени. После кавитационного воздействия водоугольная суспензия либо возвращается в смеситель, либо направляется в приемную емкость последующих ступеней и далее в емкость хранения.

6. Права на интеллектуальную собственность.

1. Петраков А.Д., Радченко С.М., Яковлев О.П. патент России «Способ получения водоугольного топлива и технологическая линия для его осуществления» № 2249029 от 27.03.2005г. «, международная заявка WО 2005/007782А1 от 27.01.2005г.;

2. Гайслер Е.В., Дубинский Ю.Н., Карпов Е.Г., Смышляев А.А., Серант Ф.А. патент России «Способ двухстадийного сжигания топлива и топка для его осуществления» №2324110 от 17.03.2006г.;

3. Алтухов А.М., Мозговой В. Г. патент России "Кавитационный гидроударный дисператор" №74084 20.06.2008.

4. Ноу-хау Карпова Е., Насатович Я., Радченко С., Федосеева В.- модификации технологии(1), позволяющие получить ультродисперсный угольный гель, обладающий высокой пластичностью.

7. Конкурентные преимущества

Технологические преимущества

Экологические преимущества

Эстетические преимущества

Финансово-эклномические преимущества

1. Снижение капвложений на 1 кВт. установленной мощности:

- для крупных ТЭС (свыше 100 МВт.) -        4,2%-6,8%

- для малых ТЭС (до 100 МВт)           -        5,0%-10,4%

2. Снижение себестоимости вырабатываемой продукции:

электроэнергии:

- для крупных ТЭС                              -      26%-33%

- для малых ТЭС                                 -     23,7%-34,8%

тепла:

- для крупных ТЭЦ (свыше 600 Гкал/час) -  25%-27%

- для малых ТЭЦ (до 600 Гкал/час)            - 25,1%-35,9%

При ожидаемых количествах отходов от процесса обогащения углей Кузбасса, используемых для приготовления нового топлива до 3,0 млн.тонн в год, выработанная на этом количестве топлива энергия (электрическая и тепловая в комбинированном режиме на новых крупных и малых ТЭС) в количествах до 4 млрд. кВт.ч электроэнергии и до 5,5 млн. Гкал тепловой энергии в год даст дополнительную прибыль энергопроизводителям в 700-1000 млн. р. за электроэнергию и 640 -900 млн. р. за тепло за каждый год работы, при экономии затрат на строительство новых ТЭС, сжигающих это топливо, до 3.1 млрд. рублей.

Снижение уровня пожаровзрывоопасности тепло- электростанции, улучшение санитарно-гигиенических условий эксплуатации топливного хозяйства, улучшение экологических показателей работы предприятия в данном расчете не учтены.

Перевод мазутных котлов на водоугольное топливо, которого потребуется, в зависимости от калорийности угля, в 2-2,5 раза больше, чем мазута. При стоимости мазута 7800 руб., а угля 700-800 руб., это дает экономию при замене 1 тн мазута 5-6 тыс. рублей. Перевод угольных котлов на шламы, кеки, отсевы и микронику после гидродобычи, которые хранятся, например в Кузбассе, в терриконах и шламоотстойниках (оценив их в 100-200 р./тн), а по калорийности не уступают поставляемым высокозольным углям, позволят снизить затраты на производство водоугольного топлива от 300 до 400 р./тн.

8. Рынок сбыта.

Рынок водоугольного топлива КаВУТ и Нано уголь будет формироваться по мере модернизации котлов и систем подготовки топлива на угольных и мазутных котельных и ТЭС, потенциально рынок сибирского региона ……………………………….

Ежегодный рынок брикетов из КаВУТ в России составляет 100млн тонн, что соответствует минимальной потребности 50 млн. индивидуальных домохозяств по минимально 2тонны в год.

9. Порядок коммерциализации результатов разработки.

Модернизация действующей угольной(мазутной) котельной ЖКХ, создание на её базе титульной демонстрационной котельной. Подготовка франчайзингового стандарта модернизации и работы котельной на новом топливе, продажа лицензий и франшизы с консультационной поддержкой новой системы технологий генерации тепла.

10. Состояние и источники инвестирования в реализацию проекта.

Авторами, разработчиками проекта потрачено в течении 2000-2009гг. на разработку новых технологий по проекту порядка 5-7 млн.р. и 10 чел.\лет труда высоко квалифицированных специалистов.

Продолжение работ по теме проекта и выполнение проекта требует внешнего финансирования в объеме 50-150 млн.р., в зависимости от схемы реализации проекта.

11. Предстоящие затраты по проекту.

Для реализации рассматриваемого проекта модернизации демонстрационной котельной ЖКХ, разработке франчайзингого стандарта котельной на новом топливе потребуется:

- вариант, котельная муниципальная остается в собственности муниципалитета. Стоимость модернизации и создание центра франчайзинга новых технологий генерации тепла – 50 млн.р.

- вариант строительства новой котельной и создание центра 150 млн.р.

- вариант, котельная муниципальная остается в собственности муниципалитета, модернизация котельной за счет муниципалитета. Стоимость создание центра франчайзинга новых технологий генерации тепла 20 млн.р

Blog