Физико-химические основы получения топливных водоугольных суспензий

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
М. П. Баранова, В. А. Кулагин 
 
 
 
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ  
ПОЛУЧЕНИЯ  ТОПЛИВНЫХ  
ВОДОУГОЛЬНЫХ  СУСПЕНЗИЙ 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2011 

УДК 621.1.016:543.5 
ББК 31.252 
           Б24 
 
 
 
Рецензенты:  
С. И. Юран, доктор технических наук главный научный сотрудник 
Ижевского государственного технического университета; 
В. С. Калекин, доктор технических наук, профессор заведующий 
кафедрой «Машины и аппараты химических производств» Омского государственного технического университета 
 
 
Баранова, М. П. 
Б24 
 
Физико-химические основы получения топливных водоугольных 
суспензий : монография / М. П. Баранова, В. А. Кулагин. – Красноярск : 
Сибирский федеральный университет, 2011. – 160 c. 
ISBN 978-5-7638-2116-1 
 
В книге описаны физико-химические закономерности технологического 
процесса получения водоугольных суспензий из углей разной степени метаморфизма. Рассмотрены экспериментальные основы процессов получения  
бинарных систем на базе бурого угля. Приведены технологические схемы получения топливных суспензий.  
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, экспертов инвестиционных компаний, преподавателей, аспирантов и студентов 
технических вузов энергетического профиля. 
 
 
 
УДК 621.1.016:543.5 
ББК 31.252 
 
 
 
 
 
 
Печатается по решению редакционно-издательского совета 
университета 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2116-1 
 
       Сибирский федеральный университет, 2011 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Для обеспечения потребности экономики России в тепловой и элек
трической энергии в стране создана мощная система централизованного 
тепло- и энергоснабжения потребителей, ориентированная в основном  
на использование традиционного органического топлива (уголь, нефтепродукты и природный газ). В последние десятилетия в топливно-энергетическом балансе страны подавляющая доля (более 70 %) принадлежала 
природному газу и мазуту. В настоящее время в связи со значительной выработкой основных месторождений и истощением запасов нефти и газа,  
а также все увеличивающейся продажей их за рубеж возрастает роль твердого топлива в топливно-энергетическом балансе страны. 

Уголь в перспективе будет занимать ведущее положение в мире как 

источник электрической и тепловой энергии, поскольку его ресурсы на 
Земле многократно превышают суммарные запасы нефти и газа. 
В то же время экологические проблемы, возникающие при использовании угольного топлива, требуют разработки и внедрения новых эффективных с экономической и экологической точек зрения технологий, которые 
обеспечат существенный экономический эффект с максимально высокой 
полнотой использования добытого топлива. 
Вокруг многих угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий в гидроотвалах и отстойниках скапливается большое количество добываемого угля, представленного в виде тонкодисперсных угольных шламов, перевод которых в технологически приемлемое топливо позволит  
не только улучшить экологическую обстановку в регионах, но и получить 
существенный экономический эффект. 
В связи с этим становится актуальным использование угля и угольных 
шламов для создания водоугольных суспензий (ВУС), разработка эффективных процессов получения и применения которых должна базироваться на научно обоснованных процессах физического и физико-химического воздействия на исходный уголь с учетом свойств его органической и минеральной  
составляющих. Развитие энергетики, а также повышение энергетической 
безопасности России в значительной степени зависят от широкого и эффективного использования угля в качестве энергетического топлива. Для этого 
необходимо в первую очередь улучшить потребительские свойства угля как 
энергетического топлива, а также освоить получение на основе угля альтернативного топлива при замене дефицитных природных ресурсов: газообразного 
и жидкого нефтяного топлива. Для решения вышеуказанной проблемы весьма 
перспективны проводимые как в России, так и за рубежом работы по технологии получения и использования угольной суспензии, которая представляет собой композиционную дисперсную систему, состоящую из твердой фазы в виде 
мелкодисперсного угля и  жидкой  среды  (вода,  спирты,  углеводороды,  про

дукты переработки нефти). Такая топливная система рассматривается как суспензионное угольное топливо (СУТ). Наиболее изученной и перспективной  
в энергетике угольной суспензией является водоугольная суспензия (ВУС),  
в которой основную часть жидкой среды составляет вода. При высокой концентрации твердой фазы ВУС называется высококонцентрированной водоугольной суспензией (ВВУС) или водоугольным топливом (ВУТ).

Дисперсные системы – это микрогетерогенные системы, состоящие 
из двух или более фаз. При этом одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в объеме которой распределены частицы дисперсной 
фазы. Обычно интервал размеров частиц дисперсных фаз может изменяться от нескольких нанометров до ~100 мкм. В ряду объектов физической 
химии дисперсные системы занимают чрезвычайно важное место в связи  
с их широчайшим распространением и разнообразным применением, исключительной ролью в природных явлениях и процессах, в повседневной 
техногенной деятельности человека, а также в связи с весьма специфическими физико-химическими свойствами. К числу дисперсных систем относятся столь резко различающиеся по химическому и фазовому составам, 
физическим свойствам, областям существования и применения такие объекты, как аэрозоли, золи металлов и природных минералов, сырая нефть и 
природные битумы, водоугольные суспензии и золы от сжигания твердых 
топлив, сырьевые шламы многих химических производств. К дисперсным 
системам относятся также все многообразные виды пен и эмульсий. Что 
же объединяет все это разнообразие резко различающихся между собой по 
свойствам, области существования и применения дисперсных систем и материалов, какова общая физико-химическая основа для их изучения, описания и регулирования свойств? В известной степени ответы на эти вопросы содержатся в самом определении понятия «дисперсные системы». 
Общие для всех дисперсных систем фундаментальные физико-химические признаки – гетерогенность, то есть наличие поверхности раздела 
между фазами, и дисперсность (раздробленность). Роль этих факторов в проявлении разнообразных свойств дисперсных систем и прежде всего их агрегативной и седиментационной устойчивости становится более существенной 
по мере увеличения дисперсности и соответствующего уменьшения размера 
частиц и их концентрации в жидкой и газовой дисперсионных средах. Соответственно увеличивается и свободная (избыточная) межфазная энергия, а 
эта энергия, как следует из принципа Гиббса–Гельмгольца, в дисперсных 
системах стремится самопроизвольно уменьшиться. Процесс уменьшения 
межфазной энергии реализуется в результате коагуляции – укрупнения, слипания частиц, сопровождающегося снижением свободной поверхностной 
энергии dF за счет уменьшения удельной поверхности дисперсных фаз при 
возникновении контактов между частицами в соответствии с соотношением 
 
dF = sdS = dU – TdS*, 

где s – поверхностное натяжение; S – удельная поверхность системы; dU – 
изменение полной поверхностной энергии системы; T – абсолютная температура; S* – энтропия системы. 
Преимущества водоугольной суспензии по сравнению с твердым 
угольным топливом состоят в следующем: 
 в предотвращении взрывов и обеспечении пожаробезопасности во 
всех технологических операциях (приготовление, хранение, транспортирование и использование); 
 снижении вредных выбросов оксидов азота, углерода и серы  
в атмосферу при сжигании; 
 отсутствии пыли и других загрязнений при хранении и транспортировании. 
Кроме того, водоугольные суспензии обеспечивают: 
 сохранность технологических свойств при хранении и транспортировании; 
 возможность полной механизации и автоматизации процессов 
приготовления, транспортирования и использования; 
 возможность транспортирования их трубопроводным, речным, 
морским, автомобильным или железнодорожным транспортом. 
Основными проблемами на пути к расширенному применению водоугольных топлив являются: низкие показатели стабильности основных 
технологических характеристик, высокая зольность исходных угольных 
шламов, низкая эффективность известных реагентов – пластификаторов  
и стабилизаторов, а также отсутствие научно обоснованных методических 
рекомендаций и процессов физико-химического воздействия на исходный 
уголь с учетом его свойств. ВУТ относится к классу искусственных композиционных систем, свойства и характеристики которых зависят как от технологий получения системы, так и от технологий использования этой системы конкретным потребителем на энергетическом объекте. Основными 
варьируемыми параметрами ВУТ являются: 
 состав и концентрация твердой фазы ВУТ; 
 дисперсность твердой фазы, ее гранулометрический состав; 
 состав и содержание жидкой среды; 
 концентрация и тип добавок в жидкой среде ВУТ; 
 степень обогащения твердой фазы (содержание минеральных примесей). 
Эти параметры определяют реологические свойства и стабильность 
ВУТ как жидкого топлива при транспортировке, хранении и распылении  
в камере сгорания. Они же определяют условия сжигания или газификации 
ВУТ, энергетические и экологические показатели использования ВУТ  
в энергетике. Для получения ВУТ с оптимальными характеристиками необходимо технико-экономическое исследование с учетом энергетических  
и экологических факторов. 

1. СВОЙСТВА  УГЛЕЙ 
 
 
Высококонцентрированные водоугольные суспензии представляют 
собой микрогетерогенные системы, предназначенные для дальнего гидротранспортирования и прямого сжигания в котлах ТЭЦ. Поэтому к петрографическому составу твердой фазы предъявляются особые требования  
не только с точки зрения обеспечения оптимальных реологических параметров и стабильности ВУС, но и достижения максимального теплового 
эффекта при сжигании. 
 
 
1.1. Стадии углефикации 
 
Ископаемые угли – это твердые горючие вещества органического 
происхождения. Угольное вещество представляет собой сложные высокомолекулярные соединения, образовавшиеся из продуктов превращения 
растительных остатков в результате процессов полимеризации и конденсации, имевших место на всех стадиях углеобразования. 
Угли отличаются большим разнообразием свойств, зависящих от состава исходных растительных остатков, условий их накопления, процессов 
разложения и превращения, геологических факторов и др. 
Между торфами, бурыми, каменными углями и антрацитами существует генетическая связь, т. е. они являются последовательными стадиями 
процесса преобразования растительного материала. Каждая стадия этого 
процесса характеризуется увеличением накопления углерода в органической массе или, как принято это называть, определенной степенью углефикации. 
Однако бурые угли не обязательно являются промежуточной стадией 
процесса углеобразования. В зависимости от условий генезиса они могут 
быть и конечным продуктом [1]. 
В настоящее время различают три стадии (или три возраста) углей: 
торфяную, буроугольную и каменноугольную. 
Торфяная стадия характеризуется наличием химически неизменных 
малоформенных элементов растений в основной аморфной, иногда в пластической массе. 
Торф в естественном состоянии – это довольно сухая рассыпчатая 
масса бурого цвета или обводненная пластическая масса черно-бурого цвета. Это, как правило, продукт разложения опавших листьев, хвои, веток  
и поваленных деревьев. 
Существуют так называемые жировые торфы – сапропели, которые 
представляют собой мягкие резиноподобные образования. Исходным ве

ществом сапропелей служат водоросли и мельчайшие микроорганизмы. 
Сапропели легко горят с выделением густого черного дыма 
Буроугольная стадия характеризуется кислотными свойствами всей 
или части аморфной массы, потерей пластичности и полным отсутствием 
неразложившихся элементов растений. Бурый уголь может представлять 
собой: 
 землистого вида бурую массу, микроскопически однородную и не 
содержащую включений; 
 однородную, почти черную блестящую массу, дающую роровистый излом; 
 землистого характера черно-бурую матовую массу, содержащую 
включения черного блестящего угля, внешне сходного с песком, и матового 
черного угля, очень сходного с древесным углем. Они содержат много влаги. 
Каменноугольная стадия. Угли имеют черный цвет, бывают матовыми 
или блестящими, в них полностью отсутствуют вещества, растворимые  
в горячей водной щелочи. Ряд каменных углей заканчивается антрацитами – 
совершенно черными блестящими образованиями с высокой твердостью  
и плотностью. Они содержат самый высокий процент углерода [1, 2]. 
Следует отметить, что битумы бурых углей (продукты экстракции 
различными растворителями) отличаются по составу от битумов каменных 
углей. Битумы бурых углей, выделенные спирто-бензольной смесью, представляют собой смесь кислот и омыляемых веществ. С увеличением зрелости бурых углей их битумы становятся все более заполимеризованными, 
вследствие чего сохраняют кислотные свойства, типичные для битумов 
буроугольной стадии. Битумы каменных углей в отличие от буроугольных 
битумов нейтральны, т. е. не содержат ни свободных кислот, ни ангидридов. Нейтральна и гумусовая составная часть этих углей. Выделенные из 
битумов каменных углей циклические углеводороды представляют составную часть бальзамов растений, превратившихся в уголь и оставшихся без 
всяких изменений. 
Добытые (рядовые) угли являются многокомпонентной смесью органической и неорганической частей углей и различных минеральных 
примесей, попадающих в рядовые угли из прослоек и вмещающих пород в 
процессе добычи. 
Согласно научным положениям для формирования залежей угля необходим следующий процесс: растения, умирая, образуют слой, который 
постепенно покрывается сверху землей, при этом он подвергается воздействию аэробных и анаэробных бактерий, испытывает на себе давление 
твердых пород и геотермическое воздействие в течение довольно длительного промежутка времени. Под воздействием аэробных бактерий на умершие растения на протяжении того времени, когда к слою растений еще 
имеется доступ воздуха, разлагаются все их составляющие, за исключением прочных смол, образуя СО2, Н2О, СН4 и т. д. С другой стороны, ана

эробные бактерии длительный период времени воздействуют на растения,  
когда они оказываются погружены под воду, таким образом растения превращаются в гумус (торф). Углефикация – это очень сложный процесс, под 
ней можно понимать приведенные в систему изменения углерода, водорода и кислорода – основных составляющих угля. Так раскрывается процесс, 
при котором дерево или целлюлоза должны подвергнуться обезвоживанию, чтобы из них получились лигнин и торф. Лигнин, как правило, превращается в низкосортный битуминозный уголь в большей мере благодаря 
декарбоксилации (обезуглероживанию), затем в высокосортный уголь, 
подвергаясь обезвоживанию и другим реакциям и т. д. до образования антрацита [3]. 
 

 
Рис. 1.1. Структуры угля  
разной степени углефикации 
 
На рис. 1.1 показаны структуры химического состава угля в процессе 
углефикации. В соответствии с усредненной структурной моделью угля 
можно заметить, что лигнин имеет только одно ароматическое ядро и много боковых цепей и функциональных групп кислорода. Количество ароматических конденсированных ядер возрастает по мере увеличения степени 
углефикации; так, к примеру, при превращении в битуминозный уголь 
число ароматических ядер уже 2, 3 при сокращении числа боковых цепей, 
а по мере увеличения степени углефикации возрастает конденсация ароматических структур и ароматический углерод становится основной составляющей [4]. 

1.2. Физические свойства углей естественного сложения 
и влажности 

Определение действительной плотности 
d
rd  (отношение массы угля 

к объему без пористого пространства) каменных и бурых углей производится пикнометрическим методом (ГОСТ 2160-82). Действительную плотность угля на сухую массу (г/см3) рассчитывают по формуле 



1
2
,
d
r
m
d
m
m
m



 
 
 
 
  (1.1) 

где m – сухая масса навески, г; 
(100
)
100

a
a
W
m


; m1, m2 – масса пикнометра 

соответственно с водой и раствором смачивателя и навеской угля, г;  
а – навеска угля, г; W 
a – содержание влаги в аналитической пробе угля, %. 

Действительная плотность (г/см3) органической массы угля 

100
2,7
,
100

d
d
о
r
r
d
d
A
d

A




 
 
 
 
     (1.2) 

где 
d
rd – действительная плотность сухого угля, определенная пикнометри
чески; Ad – зольность угольной пробы на сухую массу, %; 2,7 – принятая 
средняя действительная плотность минеральных примесей, г/см3.  

Действительная плотность зависит от степени метаморфизма угля, 

петрографического состава и содержания минеральных примесей. Действительная плотность непосредственно не отражает физического состояния 
угля, однако знание ее необходимо для расчета ряда показателей его 
свойств, например пористости. 

Кажущаяся плотность 
d
a
d  (отношение массы угля к его объему, 

включая пористое пространство) широко используется в практике добычи 
и переработки углей для подсчета запасов, расчета устойчивости горных 
пород на склонах и откосах, определения горного давления, распределения 
напряжения в горных породах и при других расчетах.  

Значение кажущейся плотности необходимо для определения порис
тости угля – важной его технологической характеристики, используемой 
для расчета ряда технологических процессов и аппаратов. 

Пористость углей и удельная поверхность влияют на диффузионные, 

сорбционные, фильтрационные и химические свойства углей в процессах, 
протекающих в пластах их залежей, при хранении, транспортировании  
и различных видах переработки. Эти свойства определяют механическую 
прочность, газопроницаемость и др. С другой стороны, на пористость заметно влияют термические и механические воздействия. 

Общая пористость характеризует объем всех пор и определяется по 

формуле 




0

d
r
r
a

d
r

d
d
P
d



 
 
 
 
 
(1.3) 

где 
d
r
d – действительная плотность; 
r
a
d – кажущаяся плотность. 

Размеры пор углей и их удельные поверхности устанавливают методом 

заполнения пор жидкостями или путем сорбции газов с помощью оптической 
и электронной микроскопии и методом рентгеноструктурного анализа. 

Пористость и удельная поверхность в значительной степени зависят 

от степени метаморфизма углей, причем минимум микропор и переходных 
пор приходится на средние стадии метаморфизма. Объем макропор в бурых углях снижается в антрацитах. 

С изменением пористости углей изменяется и структура угольного 

вещества, снижается число полярных групп и появляются микропоры. 
Термические и механические воздействия оказывают заметное влияние на 
структуру пор. Последняя влияет на механическую прочность угля, его адсорбционные и химические свойства. 

 
1.3. Теплофизические свойства углей 

К важнейшим теплофизическим свойствам углей относятся тепло
проводность, теплоемкость, теплота разложения, тепловое расширение, 
термическая стойкость. 

Установлено, что теплопроводность λ [Вт/(м°С)], температуропро
водность α (м2/с) и теплоемкость С [Дж/(кг°С)] связаны уравнением 

н
,
C

 

  
 
 
 
        (1.4) 

где ρн – насыпная плотность, г/см3. 

Теплоемкость угля линейно возрастает с повышением его влажности 

и снижением степени метаморфизма; зольность понижает теплоемкость. 
Среднюю удельную теплоемкость С при обычной температуре можно определить по формуле 

4,18 0,00242(1
0,008
)
1,19
,
d
r
r
r
t
t
t
С
V
B
A
W





  
(1.5) 

где V d – выход летучих на сухую массу, %; 
r
tB – содержание органической 

массы в исходном угле, %; 
r
tA  – зольность исходного угля, %; 
r
t
W  – со
держание влаги в исходном угле, %.