CC BY
120
СЕМИНАР 9
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001”
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
44 © П.И. Пилов, А.И. Шаров, Е.П. Пилова, 2001
УДК 658.26:622.332./335.003 4
П.И. Пилов, А.И. Шаров, Е.П. Пилова
ТЕХНОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КАЧЕСТВА УГЛЯ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ
В
последнее время наблюдается мировая тенденция к возрастанию роли угля в энергетике, особенно с связи с разработкой экологически чистых технологий его использования. Вместе с тем, актуальное состояние угольной энергетики в странах СНГ не удовлетворяет потребностям не только в связи с техническим состоянием тепловых электростанций, но и из-за недостаточного количества топлива, а также его низкого качества. Следует подчеркнуть, что эти факторы взаимосвязаны, поскольку дефицит угля приводит к ослаблению требований к его качественным показателям.
Проблема качества и эффективности использования продукции угольной промышленности в значительной степени определяется как природными условиями (горно-геологические условия, мощность пластов, их материнская зольность, содержание серы), так используемыми технологиями добычи. Это предопределяет специфику ее решения, отличающуюся от других отраслей промышленности.
Одной из особенностей продукции угольной промышленности, потребляемой для энергетических целей (около 75 % добываемых углей используется для получения тепла), является независимость качества получаемых тепла, пара, электроэнергии от качества топлива. Однако оно в значительной мере предопределяет технико-экономические показатели тепловых электростанций и теплоцентралей.
Вместе с тем, обеспечение заданного качества углей связано с дополнительными затратами на
их обогащение, либо с потерями запасов, например, при применении селективной выемки угольных пластов. В связи с этим повышение качества топлива не должно быть самоцелью. Конечной же задачей технологического цикла добычи и использования углей является производство конечной продукции - электрической энергии при минимальной ее себестоимости при данных природных свойствах энергоносителей и техническом уровне энергетики.
Эта задача требует выявления технологий, обеспечивающих получение угольной продукции оптимального качества, т.е. такого сочетания потребительских свойств, которое обеспечило бы максимальный экономический эффект с учетом всех затрат связанных с производством и потреблением угля, что достигается снижением расхода топлива на получение 1 кВтч электроэнергии.
Требования, предъявляемые к качеству угля, определяются технологией его сжигания. В угольной электроэнергетике наиболее распространен способ сжигания в топках во взвешенном состоянии предварительно подсушенного и измельченного до крупности 0,1 мм топлива. Сгорание пылеугольного факела протекает в потоке, в котором достигается высокая интенсивность окисления, обусловленная развитой поверхностью для реакции измельченного топлива с кислородом. Многолетний опыт и масштабы использования такой технологии показали ее экономические преимущества.
Но при очевидных положительных аспектах пылевидного сжигания (снижение тепловых потерь, повышение КПД топок и котельных установок, возможность сжигания высокозольного топлива), оно имеет и ряд недостатков, к числу которых относятся значительный расход электроэнергии и повышенные капитальные затраты на размол и пневмотранспорт топлива.
Для пылевидного сжигания могут использоваться, в принципе, угли всех марок. Фактически их зольность колеблется в пределах от 20 до 45%, что связано с имеющимися ресурсами.
Определение оптимальной зольности потребляемых углей остается, в известной мере, нерешенной задачей.
Для оценки уровня качества углей можно воспользоваться общими принципами, на которых базируется квалиметрия [1,2,3], состоящими в следующем:
1) качество есть некоторая многоуровневая совокупность свойств, представляющих интерес для потребителей;
2) эта совокупность иерархична, которой свойства более высоких уровней определяют обобщенные свойства более низких уровней;
3) каждое свойство качества необходимо и достаточно определяются его параметрами: величиной (абсолютным показателем), оценкой (относительным показателем), характеризующей степень удовлетворения потребности в данном свойстве, и величиной, определяющей важность свойства среди остальных свойств, составляющих качество (коэффициентом весомости);
4) количественные значения параметров зависят от требований более сложного свойства нижнего уровня;
5) свойства, расположенные на одном уровне и входящие в одно более сложное свойство, связаны так, что увеличение весомости любого свойства может происходить лишь за счет уменьшения весомости других свойств, т.е. сумма количественных значений свойств - величина постоянная.
Особый интерес при этом представляет оценка весомости свойств, определяющих качество. При комплексной оценке качества продукции для определения коэффициентов весомости используются стоимостные регрессионные зависимости, предельные и номинальные значения, эквивалентные соотношения, а также экспертный метод
[3].
При обосновании качества угля, в связи со сложностью взаимозависимости свойств, для определения коэффициентов весомости возможно применение метода экспертных оценок, основанного на обобщении опыта и интуиции специалистов.
Изучение коэффициентов весомости свойств по такой методике [3] показало, что в общем понятии качества угля для пылевидного сжигания наибольшее значение имеет низшая теплота сгорания рабочего топлива. Этот показатель является более общим свойством качества и определя-
ется такими его показателями как зольность угля, его влажность и низшая удельная теплотой сгорания горючей массы топлива.
Таким образом, доминирующим показателем, характеризующим качество угля, предназначенного для пылевидного сжигания на тепловых электростанциях является низшая удельная теплота сгорания рабочего топлива. Однако ее уровень должен быть обоснован.
Во-первых, она должна находиться в пределах, при которых обеспечиваются оптимальные показатели работы электростанции, во-вторых, производство топлива, удовлетворяющего этим требованиям должно быть экономически целесообразно, в-третьих, использование топливных ресурсов должно быть максимально возможным в данных условиях.
Таким образом, вопрос об обосновании качества угля должен рассматриваться с точки зрения полноты использования его энергетического потенциала, технологических возможностей ее достижения и экономической целесообразности.
Критерием, позволяющим сделать количественную оценку эффективности переработки и сжигания каменных углей, может служить предлагаемый коэффициент их энергетического использования ^ [7]. Он представляет собой отношение количества фактически полученного тепла при сжигании угля или продуктов его обогащения к количеству тепла, которое могло бы быть теоретически получено из горючей массы добытого угля.
Количество фактически полученного тепла зависит от массы сжигаемого угля, его теплотворной способности, коэффициента полезного действия топки Т1С и расстояния, на которое транспортируется уголь для сжигания.
Теплотворная способность каменных углей определяется теплотворной способностью содержащейся в них горючей массы Qs, их зольностью А1, а также влажностью Ж и в общем виде может быть описана уравнением:
QC=QS- аА1 - сЖ, (1)
где а - коэффициент, зависящий от теплоемкости компонентов золы и количества тепла, необходимого на их термическую диссоциацию; с-коэффициент, учитывающий расход тепла на нагрев и испарение воды.
Коэффициент полезного действия топки зависит от способа и режима сжигания и снижается с увеличением зольности топлива А1. Согласно
экспериментальным данным функция г/с (а1)
носит линейный характер, т.е.:
Л с = кг (к1 - к2А I (2)
где к - коэффициент, учитывающий тип устройства для сжигания.
Расход энергии на транспортирование пропорционален массе угля т и расстоянию L:
Е = т(Кс + К1), (3)
где Кс- коэффициент, учитывающий энергозатраты на погрузочно-разгрузочные работы; К -удельные путевые энергозатраты.
Для п продуктов обогащения угля, сжигаемых в различных топках и транспортируемых на различные расстояния, коэффициент энергетического использования равен:
1
л =----------1------х... ^
- аА0 - сЖ0
•1 г, [{б, - аА - - к2 А1 >„-(Кс + К,1,)1
i= 1
(4)
где Ад - зольность горной массы; у, - выход ь го продукта обогащения угля.
Таким образом, коэффициент термического использования угля определяется как свойствами рядового (необогащен-ного) угля (зольность, влажность, удельная величина высшей теплоты сгорания, определяемая маркой угля), так и свойствами продуктов обогащения (зольность и влажность), а также их выходами. При этом свойства продуктов обогащения (концентратов) определяются как свойствами рядового угля, так и применяемыми технологиями и режимами.
Уголь после добычи представляет собой механическую смесь угольных, породных и промежуточных фракций. Они отличаются друг от друга зольностью и имеют различную плотность. Поэтому при его обогащении отделяют высокозольную породу, используя различие плотностей. Массовая или весовая доля обогащенного продукта (концентрата) характеризуется выходом. Его величина определяется содержанием породы в исходном продукте и точностью разделения в используемых технологических процессах.
Распределение всех компонентов в обогащаемом угле по плотности х можно представить в виде функции (р0 (х), а распределения золы -
Ра(х).
Выход концентрата зависит от функции р0 (х) [4,5] и сепарационной характеристики процесса
обогащения Е(х) [6], т.е. вероятности извлечения компонентов в концентрат от разделительного признака х (в данном случае - плотность угольных фракций):
7
•^тах
| р0 {х )Е (х )<іх,
а его зольность:
А = — \рА (х )Е (х )<іх, 7
• х_;_
(5)
(6)
Для оценки и оптимизации технологических процессов обогащения полезных ископаемых используются различные технологические и экономические критерии [5]. Наиболее универсальным и распространенным среди них является критерий Ханкока-Луйкена [6], который определяется разностью извлечений в целевой продукт целевого и нецелевого компонентов, например, разностью извлечений в концентрат полезного и неполезного компонентов:
Л
(7)
Тогда критерий Ханкока-Луйкена можно представить в виде:
| (і - рА (х ))Е (х ~)ёх | рА (х )Е (х )іх
Л =
1 - А
. (8)
где А - зольность исходного продукта.
Анализ уравнения (8) показывает, что значение критерия Ханкока-Луйкена определяется как функциями распределения компонентов в обогащаемом материале Р0 (х), Ра (х), так и сепара-ционной характеристикой обогатительного аппарата.
В качестве экономического критерия целесообразно принять к рассмотрению методику корректировки цены на уголь и продукцию в зависимости от ее качества [5]. Она предусматривает линейное изменение цены в зависимости от содержания основных компонентов, снижающих энергетическую ценность продукта: зольности и влажности. При этом базовая цена изменяется на величину, пропорциональную отклонению фактической зольности и влажности от нормативных:
Р=Рь [1+кл (Ап-А) +кж(Жп-Ж)], (9)
где Рь - базовая цена угля; Ап, А - его нормативная и фактическая зольность; кА - коэффициент,
х
X
х
х
х
х
учитывающий изменение цены от зольности; Жп, Ж - нормативная и фактическая влажность угля; кЖ - коэффициент, учитывающий изменение цены от влажности.
Действующими нормативными документами предусматривается изменение цены на 2,5% при изменении зольности на 1% и на 1% при изменении влажности на 1%. Однако эти соотношения не являются догмой и должны определяться в зависимости от задач по экономическому управлению качеством.
Если воспользоваться лишь вариативной частью приведенного уравнения и рассматривать цену полезных продуктов, т.е. товара, получаемых из тонны исходного угля, доля которых характеризуется выходом, то экономический критерий для оценки эффектности использования продукции угольной промышленности может быть представлен в виде:
V, = у[1 + кл (Ап - л)+к„ (Жп - Ж)1. (10)
Изучение коэффициента энергетического использования углей Украины с помощью предложенной математической модели позволило установить его зависимость от зольности продуктов обогащения и их выходов. Эта зависимость имеет максимум, положение которого зависит от соотношения в исходном продукте угольных и породных фракций и их зольности. Он смещается влево, в сторону уменьшения зольности продуктов обогащения, при снижении коэффициента полезного действия устройства для сжигания, либо при увеличении дальности транспортирования угля к месту использования. Смещение максимума вправо или его отсутствие (т.е. уголь можно использовать без обогащения) имеет место при повышении эффективности сжигания и сокращении расстояния транспортирования, например, при сжигании на месте добычи или обогащения.
Полученная таким образом информация и ее анализ позволили сделать следующий вывод: эффективность использования добываемых углей в энергетике может быть повышена, если для каждого их них будет определена глубина обога-
щения с учетом способа последующего сжигания и дальности транспортирования.
Изучение коэффициента технологической эффективности также показало его экстремальную зависимость от зольности получаемых продуктов. Положение максимума определяется фракционным составом исходного угля и сепарационными характеристиками применяемых для его обогащения процессов. Поскольку физическим смыслом этого критерия является максимальное извлечение горючей массы в концентрат при минимальном его засорении породой, то при его увеличении должна повышаться и энергетическая ценность получаемого топлива.
Экономический критерий также имеет максимум при определенной зольности получаемых концентратов. Его положение определяется как зависимостью выхода продуктов обогащения от их зольности, так и базовыми значениями зольности и влажности, а также величинами коэффициентов, определяющих изменение цены от зольности и влажности. Эти показатели относятся к числу задаваемых с целью экономического воздействия на производителя для поддержания определенного уровня качества продукции.
Таким образом, рассмотренные критерии: энергетический, технологический и экономический в зависимости от степени обогащения угля, определяющей различную зольность получаемых продуктов, носят экстремальный характер. Максимумы этих критериев, в принципе не совпадают, однако, возможно совместить максимумы энергетического и экономического критериев за счет подбора соответствующих коэффициентов в экономическом критерии.
Если задачей оптимизации качества углей является максимально возможная степень отдачи тепла, то зольность производимых концентратов и режим, в котором возможно их получение, должны обеспечить максимальное значение энергетического критерия. Для обеспечения максимума экономического критерия для этого же режима необходимо задание соответствующих базовых значений зольности и влажности и коэффициентов, входящих в уравнение (10).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Азгальдов Г.Г., Райхман Э. Квалиметрия: методы, проблемы, сфера применения В кн.: Мате-
риалы XV конференции ЕОКК. Сессия II. Методы количественной оценки продукции (квалиметрия).
М., Изд-во стандартов, 1972, с.14-23.
2. Антонов Г.А. Основы стандартизации и управления качеством продукции. Ч 1-3. - Спб.: Изд-во СПбУЭФ, 1995.
3. Марченко М.Г., Филиппов В.М. Стандартизация и нормирование качества углей. М., Недра, 1977. 247 с.
4. Пилов П.И., Сбитнев М.П. Оперативное прогнозирование показателей углеобогащения в усло-
виях динамики объемов и качества сырья Вибрации в технике и технологии, 1998, №4(8).- С.43-45
5. Пилов П.И., Сбитнев М.П. Оптимизация режимов углеобогащения Вибрации в технике и технологии, 1998, №4(8).- С.44-47
6. Справочник по обогащению углей. Под ред. И.С.Благова, А.М.Коткина, Л.С.Зарубина. 2-е
изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1984, 614 с.
7. Pilov P.I., Pivnyak G.G., Bondarenko V.I., Tratchuk A.M.. The development conception of coal technologies in Ukraine// United nations commission for Europe. Meeting of experts on clean coal technologies.- Szczyrk (Poland), 1995.-P. 57-63.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ =
Пилов Петр Иванович - профессор, доктор технических наук, доцент, первый проректор Национальной горной академии Украины.
Шаров А.И., Пилова Е.П. - Национальная горная академия Украины.
^^
