Водовугільне паливо, водовугілля (скорочення: ВВП, ) — рідке паливо, яке отримують шляхом змішування подрібненого вугілля, води та пластифікатора. Використовується на теплогенеруючих об'єктах, здебільшого як альтернатива природному газу та мазуту. Дозволяє суттєво зменшити витрати при виробництві теплової і електричної енергії. Концептуально належить до .
Загальна характеристика Водовугілля має задані реологічні (в'язкість, напруга зсуву), седиментаційні (зберігання однорідності у статичних та динамічних умовах) й паливні (енергетичний потенціал, повнота вигорання органічних сполук) характеристики. Параметри водовугілля чітко регламентовані національними стандартами Китаю, які можуть застосовуватися як еталон. Також для водовугільного палива характерні такі властивості: температура займання — 800–850 °C, температура горіння — 950–1150 °C, теплотворна здатність — 3700–4700 Ккал. Ступінь згорання вуглецю понад 99 %. Водовугілля пожежо- та вибухобезпечне.
Застосування: паливо для промислового котла, електричного котла і промислової печі замість мазуту і газу; і сировина для газифікації вугілля.
Параметри I клас II клас III клас Стандарт Китаю Вміст вугілля, % ≥ 65 63–65 60–63 GB/T18856.2 В'язкість ≤ 1200 мПа/с GB/T18856.4 Теплота згоряння (нижча), Ккал ≥ 4700 4420–4660 4000–4420 GB/T 213 Зольність, % ≤ 6 6–8 8–10 GB/T 213 Вміст сірки, % ≤ 0,35 0,35–0,65 0,65–0,80 GB/T 214 Температура пом'якшення плавкості золи ≤ 1250 GB/T 219 Частинки (зерна) понад 300 мкм, % ≤ 0,05 0,05–0,20 0,20–0,80 GB/T18856.3 Частинки (зерна) до 75 мкм, % ≥ 75,0 Вміст летких речовин, % ＞30 20–30 ≤ 20 GB/T18856.7
Історія розвитку технології. Світовий досвід
У науково-виробничому виданні «Фізико-технічні основи водовугільного палива» зазначаються основні світові напрацювання в галузі водовугільного палива:
Китай
Дана технологія є однією з основних запроваджених у країні з метою зниження залежності Китаю від дефіцитних рідких та газоподібних видів палива. На сьогодні Китай — світовий лідер у галузі розробок та впровадження водовугільного палива у тепло- та електроенергетиці. Щорічний обсяг виробництва водовугільного палива становить 40–60 млн тонн.
Провідними розробниками технології водовугілля в Китаї є Пекінський науково-дослідний вугільний інститут, Пекінський вугільний проєктний інститут, Гуобанська науково-технологічна компанія, Шеянгський теплоенергетичний інститут. До найбільших проєктів, реалізованих у Китаї, слід віднести: 1998 р. Шандунська ТЕЦ (220 тонн пари на годину); 2003 р. Шеньянський НПЗ (75 тонн пари на годину); 2004 р. ТЕЦ у м. Тінгдао (130 тонн пари на годину, 2 турбіни на 12 та 25 МВт); 2004 р. Гуандунська ТЕЦ (670 тонн пари на годину); 2005 р. завод приготування водовугілля та ТЕЦ у м. Маомінь (440 тонн пари на годину, 1,5 млн тонн водовугілля).
Японія
До вдало реалізованих та значущих проєктів слід віднести: 1986 р. Mitsubishi Heavy Industries (Енергетична станція, 260 тонн пари на годину, 75 МВт); 1989 Hitachi Zosen (34 тонн пари на годину); 1990 Japan COM (110 тонн пари на годину, доставка палива танкером на відстань 680 км); 1993 Japan CJM Ltd (котел енергетичної станції 600 МВт).
Італія
Технологія розроблялася при пошуку еквівалентної заміни для нафти та зручних рішень з транспортування вугілля на довгі відстані. Фірмою Snamprogetti (Мілан) було розроблено технологію приготування палива Reocab, основною особливістю якої є отримання близького до бімодального розподілу часток за розмірами. Було споруджено комплекси з приготування водовугілля у м. Ліворно та Порто-Торрес, переобладнано енергетичні станції фірми ENEL потужністю 35 та 75 МВт.
Швеція
Розробками з приготування водовугільного палива у Швеції займалися компанії AB Carbogel, Nycol, Fluidcarbon international AB. Особливість технологій цих фірм полягає у використанні низькозольного вугілля, що передбачає застосування процесу глибокого збагачення вугілля. Технологія приготування передбачає: двостадійний помел, грохочення, пінну флотацію, зневоднення кеку на вакуумних фільтрах, перемішування кеку з водою та реагентом. За рахунок такого процесу отримують водовугільне паливо з високими якісними характеристиками: зола до 2,8 %, тверда фаза до 75 %, в'язкість 1000 МПа/с, нижча теплота згоряння — 20 МДж/кг.
Канада
Компанією Lafard Canada Inc. у 1984 було продемонстровано процес приготування водовугілля безпосередньо перед спаленням у роторній цементній печі. Характерно, що для приготування використовувалося вугілля та хвости мокрого процесу збагачення. У зв'язку з відсутністю необхідності у транспортуванні та збереженні використовувалися лише найпростіші реагенти з метою покращення диспергації та зниження в'язкості. Подальші розробки технології водовугільного палива було скорочено у зв'язку зі зниженням цін на нафту та нафтопродукти.
США
Основною передумовою початку розробок технології водовугільного палива в США стала необхідність утилізації відходів мокрого збагачення вугілля (40–50 млн тонн на рік) та пошук ефективних засобів транспортування вугілля на великі відстані. Зокрема, на електростанції «Сивард Стейшн» було проведено сумісне спалення водовугілля та пиловугілля.
Фірми, організації та промислові розробки водовугілля
Корпорація досліджень в галузі енергетики та охорони довкілля (EERC), США, шт. Огайо — технологія спільного спалювання ВВП з традиційним паливом «Cofiring». Університет шт. Північна Дакота, США — виготовлення ВВП з слабкометаморфізованого збагаченого вугілля. Науково-дослідницький центр Пенсильванського університету та фірма PENELEC, (Пенсільванія Електрик Компані) — виготовлення ВВП на ЗФ «Хоумер Сіті», спалювання ВВП в котлі потужністю 32 МВт, транспортування та спалювання на ТЕС «Сьюард» в котлі продуктивністю 130 т пари/год. Корпорація Янрі ВВП (Janri CWF Co), Китай. Китайська Вугільна інженерно-технологічна корпорація Компанія Джапан КОМ (Japan Coal Oil Mixture), Японія — промислова установка для приготування ВВП в Омахамі, продуктивністю 600 000 т/рік, спалювання ВВП на електростанції у Накосо. Ніссо Іваї Юбе Індастріз, Японія та Коул енд Еллайд Індастріз ЛТД, Австралія — проєкт: комплекс по виготовленню ВВП в порту Ньюкасл продуктивністю 4 млн т/рік, перевезення морськими танкерами в Японію. Науково-виробниче об'єднання «Гідротрубопровід», Росія; НВО «Гаймек», Україна; Інститут колоїдної хімії та хімії води імені А. В. Думанського НАН України, Інститут фізико-органічної хімії та вуглехімії імені Л. М. Литвиненка НАН України і ін. та «Снампроджетті», Італія: Дослідно-промисловий трубопровід Бєлово — Новосибірськ довжиною 262 км і продуктивністю 3 млн т/рік (за сухим вугіллям). Дослідно-промислова установка в м. Раменське. Луганське відділення Інженерної академії України та НВО «Гаймек», Україна: Дослідне спалювання ВВП на ЗФ «Самсонівська». Дослідно-промислова установка для виготовлення та спалювання ВВП на шахті Комсомольська. ТОВ «Українське тепло». Займається продажем теплової енергії та впровадженням технологій водовугілля на муніципальних та комерційних об'єктах: Збудовано промисловий цех приготування водовугільного палива, яке спалюється на лінії сушки технологічного вугілля в м. Свердловськ. Теплова потужність комплексу становить 1,2 Гкал на годину. ДП «Укртеплоком». Займається реалізацією пілотного проєкту заміщення природного газу водовугільним паливом на комунальних котельних України в рамках національного проєкту «Водовугільне паливо».
Основні сучасні технології «Reocarb» (Італія, СРСР). Технологія передбачає помел у кульовому млині порівняно низькоконцентрованої суміші, а потім грубий помел у стержневому млині при певних співвідношеннях крупної (0–3 мм) і тонкої (0–0,040 мм) фракцій і підвищенням концентрації водовугільного палива до 62–65 % з використанням пластифікатора. При цьому гранулометричний склад вугілля в суспензійному середовищі при двостадійному помелі наближається до бімодального. Зольність вугілля знаходиться в межах 10–20 %. Водовугільне паливо, отримане таким чином, має добрі споживчі властивості і може транспортуватися по трубах на великі відстані та зберігатися протягом тривалого часу без зміни характеристик. «Carbogel» (Швеція, Канада). Технологія включає двостадійний помел вугілля в кульових млинах з наступним збагаченням вугілля методом флотації. Змішування збагаченого і частково зневодненого вугілля з водорозчинною хімічною добавкою проводиться в гомогенізаторі до отримання стабільного водовугільного палива. При вихідній зольності вугілля 15 %, зольність кінцевого продукту складає 2,8–4,0 %. Максимальна масова концентрація вугілля у суспензії — 75 %. «Co-Al» (Велика Британія). Основною особливістю технології є точна відповідність гранулометричного складу вугілля у водовугільному паливі заданому. Обов'язковою умовою є максимальний вміст у суспензії колоїдних частинок розміром менше 0,003 мм. Технологічна схема передбачає двостадійне подрібнення суміші вугілля і збагаченого флотоконцентрату в присутності водорозчинної хімічної добавки. Контроль крупності здійснюється на грохоті. При необхідності верхній продукт грохочення повертається на повторне подрібнення. Кінцевим продуктом є водовугільне паливо зольністю 6,5 % при максимальному вмісті в ньому твердого до 72 %. «Fluidcarbon» (Швеція). Шведська фірма «Флюїдкарбон інтернейшнл» розробила спосіб отримання котельного палива у вигляді висококонцентрованої водовугільної суспензії. У складі палива, крім тонкоподрібненого низькозольного вугілля та води, є спеціальна хімічна добавка (близько 1 %). Приготування палива здійснюється в чотири стадії, що включають мокре подрібнення вугілля у кульових млинах, збагачення подрібненого продукту флотацією, зневоднення флотоконцентрату на барабанних вакуум-фільтрах, усереднення палива за якістю. В результаті таких технологічних операцій кінцевий продукт має зольність не вище 2,8 % при вмісті твердого 68 %. За патентом США водовугільна суспензія, одержана за технологією «Fluidcarbon», може мати концентрацію в межах 60–80 % вугілля за масою. «Densecoal» (Німеччина). Технологія розроблена фірмами BASF AG та «Salzgitter AG» та передбачає як мокре, так і сухе подрібнення вугілля. У процесі такого подрібнення отримують продукт із середньою крупністю 0,04 мм, хоча в принципі технологія дозволяє отримання різних гранулометричних складів вугілля і різної в'язкості суспензії. В залежності від якості вихідного вугілля і подальшого використання паливної композиції регулюють тривалість знаходження компонентів у млині, швидкість обертання його барабана, а також вихідну крупність, кількість і склад хімічних добавок.
Впровадження водовугілля в Україні Інтенсивні наукові дослідження по створенню водовугілля почалися в СРСР з 1985 року. Зокрема, в Україні розробками в цьому напрямі займалися: «ВНИИПИгидротрубопровод»; Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А. В. Думанського НАН України (м. Київ); Інститут фізико-органічної хімії та вуглехімії НАН України (м. Донецьк); Донецький політехнічний інститут та ін.). Вітчизняні науково-дослідні організації у співробітництві з фірмою «Снампрожетті» (Італія) розробили, збудували і запустили в експлуатацію в 1990 р. дослідно-промисловий магістральний вуглепровід Бєлово — Новосибірськ (Росія) довжиною 260 км з продуктивністю 3 млн т вугілля за рік на суху масу. Для здійснення цього проєкту науково-дослідними інститутами України було зроблено близько 50 винаходів.