TECH MINING RUSSIA 2020



О новом угольном векторе

Без малейшего преувеличения можно сказать, что наша цивилизация достигла сегодняшнего уровня развития только за счет двухвекового периода индустриального использования угля


Его энергия обеспечила фундамент для развития всех без исключения современных отраслей промышленности. Однако каждый технологический уклад, какими бы грандиозными не были его достижения, со временем приходит к исчерпанию своего потенциала. Здесь уместно привести известную сентенцию: каменный век завершился не потому, что закончились камни. И, действительно, причина не в самом угле, а в том, что активно формируется новая технологическая среда, в которой этот вид топлива уже не может выполнять роль универсального источника энергии, в полной мере отвечающего вызовам нового времени. Однако в то же время можно предъявить претензию и к огромному классу потребителей, которые за многие десятилетия не приложили достаточных усилий для радикального усовершенствования известных технологий использования угля, а в основном продолжали довольствоваться разработками, по сути, вековой давности. Исключение составляет относительно небольшой сегмент угольной энергетики, который вышел на использование сверхкритических параметров пара. Десять лет назад авторитетный эксперт в области энергетики В. Смил написал: «У нас не было бы причин так негативно отзываться об угле, если бы мы использовали его по современным передовым технологиям» [1].

Как бы то ни было, объективно потребление угля выходит на финишную прямую. Собственно, до финиша еще довольно далеко, но уже совершенно четко определились лидеры и аутсайдеры заключительного этапа. Точную оценку сегодняшнему состоянию угольной промышленности Кузбасса, а в принципе и всей России, дал губернатор Сергей Евгеньевич Цивилев: «…мы не заметили, как рынок стал премиальным». В чем же суть этой метаморфозы?

Примерно в начале 2000-х была сформулирована стратегическая задача российской угольной промышленности — наряду с увеличением объемов добычи обеспечить повсеместное обогащение продукции. В результате на сегодняшний день теплота сгорания российского угля в среднем достигла уровня 5500 ккал/кг. Однако сравнительно недавно стало ясно, что гравитационное обогащение угля является всего лишь промежуточной целью, которая уже давно достигнута подавляющим числом зарубежных производителей. К примеру, в индустриально развитых странах обогащают от 70 до 90% добываемых каменных углей, а в Австралии — 100%. Как следствие за последние годы на фоне обострения проблем мировой экономики, а также в результате снижения потребления твердого топлива в Европе, в сегменте среднекалорийного угля сформировалось значительное перепроизводство продукции, которое в условиях жесткой конкуренции привело к ощутимому падению цен. На основе анализа новейших тенденций развития мирового энергетического рынка можно достаточно уверенно спрогнозировать: низкие цены — это надолго, если не навсегда. Безусловно, речь идет о долгосрочном тренде, который не учитывает возможные краткосрочные всплески цен. И единственный способ выживания в новых условиях — снижение себестоимости производства. Но этот рецепт пригоден только для тех, у кого есть резервы. Кстати, попутно следует заметить, что «нефтегазовые потрясения» последнего года убедительно продемонстрировали полную несостоятельность время от времени извлекаемой из сундука забвения идеи синтетического жидкого топлива, а также углехимической концепции в целом.

Мы все отдаем себе отчет в том, что за последние десятилетия радикальным образом изменилась технологическая среда, в которой функционируют передовые отрасли промышленности, и темп преобразований только ускоряется. Цивилизация вплотную подошла к новой промышленной революции. Во многих отраслях внедряются технологии четвертого, пятого поколения! Но этот процесс практически не затронул нашу угольную промышленность. Не будем здесь говорить об использовании сверхмощных самосвалов, новейших угольных комбайнов и т.п. Да, в отрасль пришла новая высокопроизводительная техника. Но она не изменила технологический уклад, сформировавшийся еще в начале прошлого века (!) Можно сказать, что наивысшим его достижением является гравитационное обогащение угля — визитная карточка угольной промышленности 20-го века. Однако научно-технические основы этой технологии были заложены как минимум более двух веков назад, в том числе и трудами российского ученого М.В. Ломоносова. Поэтому вряд ли гравитационные способы обогащения можно отнести к наилучшим доступным технологиям 21-го века в полном смысле этого термина. Особенно если принять во внимание сопутствующую проблему утилизации отходов обогащения.

За последние десятилетия передовые рубежи угольной энергетики и черной металлургии продвинулись вперед самым значительным образом. Причем все без исключения инновационные технологии предъявляют самые высокие требования к качеству угольной продукции. Что же такое уголь 21-го века? В первую очередь это — топливо для энергетики класса HELE (high efficiency + low emission) и для пылеугольного вдувания в домны (топливо PCI). Для обоих направлений предпочтителен уголь с теплотой сгорания около 7000 ккал/кг и минимальным содержанием вредных примесей. Есть еще довольно крупный сегмент специализированных видов топлива для металлургии, а также для высокотемпературных обжиговых процессов. Кроме того, активно развиваются технологии бездоменного восстановления железа, которые также критичны к химической чистоте углеродного восстановителя. Производителей угля с такими характеристиками сравнительно немного. Одним из них повезло с изначально низкой золой или высокой обогатимостью угля, другим приходится привлекать технологии глубокой переработки угля, причем со временем доля последних все более возрастает. Относительно ограниченный объем предложений высококалорийного угля с низким содержанием вредных примесей обеспечивает в этом сегменте рынка наиболее высокие цены. И это — долгосрочный тренд!

Безусловно, значительная часть угольного рынка еще долгое время будет оперировать углями традиционного качества (теплота сгорания порядка 5500 ккал/кг, относительно высокая зола и влага). Но объемы продаж будут неуклонно сжиматься с одновременным обострением конкуренции. Этот процесс в значительной степени могут интенсифицировать радикальные изменения на нефтегазовом рынке. Для многих российских экспортеров, у которых себестоимость отягощена огромными транспортными затратами, — это, по сути, приговор, правда, с отсрочкой исполнения на неопределенный период.

Одно из возможных решений проблемы — термическая переработка энергетических углей. По сути, это — целый класс технологических процессов, ориентированных на получение высококалорийного твердого топлива. И, безусловно, данный технологический прием не является панацеей для всех угольных компаний. Шанс перейти в категорию производителей премиального топлива имеют только те, у которых в распоряжении имеется уголь с благоприятными для переработки характеристиками. Итак, обратимся к термическим методам воздействия на уголь. Простейшим приемом является сушка. Однако в этом случае экономические затраты далеко не всегда оправдывают достигнутый результат. Кроме того, в обмен на сравнительно небольшое повышение теплоты сгорания производитель получает проблему повышенной возгораемости продукции, что резко ограничивает экспортные возможности. Крайне интересно, что в области глубокой переработки угля действует достаточно простой экономический закон, которому практически не уделяется внимания. Дело в том, что в подавляющем большинстве технологий этого класса основная доля капитальных затрат приходится на углеподготовку, внутризаводской транспорт, складирование сырья и готовой продукции и прочие общезаводские системы. Главное технологическое оборудование, в котором, собственно, и происходит изменение качества угля, составляет сравнительно небольшую долю от общих инвестиций. Поэтому при прочих равных условиях проект должен обеспечивать предельно достижимую глубину переработки угля, чтобы в конечном итоге получить максимально дорогой продукт. Только такое решение может обеспечить минимальный срок возврата инвестиций. И поэтому за редким исключением сушку угля нельзя отнести к экономически эффективным решениям.

Рассмотрим сущность концепции термического обогащения углей с высоким содержанием летучих веществ (в принципе, вне зависимости от содержания влаги) [2]. С энергетической точки зрения главным компонентом твердого топлива является углерод с теплотой сгорания около 8 100 ккал/кг. Остальные составляющие натурального угля по мере увеличения процентного содержания снижают его калорийность, а также увеличивают транспортные затраты в пересчете на единицу энергии топлива. Влага требует затраты энергии на испарение, зола разубоживает уголь, летучие вещества имеют в 1,5-2 раза пониженную теплоту сгорания по сравнению с углеродом. Поэтому с самых общих позиций задача обогащения угля заключается не только в отделении породы (понижении зольности), но и в удалении влаги, а также в максимально возможном снижении содержания летучих веществ. В этом случае целевым продуктом становится полукокс с теплотой сгорания от 6 500 до 7 200 ккал/кг (в зависимости от зольности). На рисунке 1 графически представлена концепция термического обогащения угля. Она может быть реализована с помощью разных технологических процессов: пиролиз угля, частичная газификация, а также в разном аппаратурном оформлении — шахтные или туннельные печи, реакторы с кипящим слоем и т.д.

Безусловно, наиболее предпочтительным сырьем для этого класса технологий являются низкозольные угли марок Д, ДГ и Б, хотя в отдельных случаях могут успешно перерабатываться и угли других марок. При повышенной зольности необходимым условием является высокая степень обогатимости. Дело в том, что целевой продукт должен иметь довольно умеренную зольность, чтобы обеспечить высокую теплоту сгорания. В рассматриваемом классе технологий отделяемая порода с помощью разных приемов может быть удалена как в основном технологическом процессе, так и на стадии кондиционирования продукции. Высокое содержание летучих веществ является одним из главных требований к сырью для термической переработки. Во-первых, как отмечено выше, удаление значительной части этого компонента обеспечивает повышение теплоты сгорания продукта, во-вторых, именно летучие вещества используются в качестве источника энергии для автотермической переработки угля. В современных условиях важен и экологический аспект: дымовые выбросы предприятия по термической переработке угля представляют собой продукты сгорания газового топлива. Более того, если в проекте предусматривается утилизация тепла уходящих газов путем производства горячей воды или пара, то эти выбросы можно отнести на единицу отпускаемой тепловой энергии. И в этом случае можно считать, что технология термической переработки угля имеет нулевые выбросы! На рис. 2 представлена принципиальная схема термического обогащения на основе технологии частичной газификации угля [3]. (Рисунок 2)

Крайне важно, что предложенная технология обеспечивает, по сути, максимально достижимый на практике коэффициент использования энергии добытой тонны угля! Для сравнения: при классическом гравитационном обогащении значительное количество энергии угля теряется с отделяемой породой и осадком фильтр-прессов, поскольку утилизацией отходов обогащения в нашей стране практически не занимаются. Проблемным оказывается и эффективное использование низкокалорийного промпродукта.

Таким образом, термическое обогащение углей энергетических марок предоставляет возможность целому ряду угольных компаний поднять на новую ступень качество своей продукции и войти с ней в премиальный сегмент рынка.

Сергей Исламов, доктор технических наук IslamovSR@suek.ru

Список литературы

1. Смил В. Энергетика: мифы и реальность. Научный подход к анализу мировой энергетической политики. М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, 2012. 272 c.

2. Исламов С.Р. Термическая переработка как новый уровень обогащения угля// Уголь. — 2020. — №5. — С. 48-53.

3. Исламов С.Р. Частичная газификация угля. М.: Издательство «Горное дело» ООО «Киммерийский центр», 2017. 384 с.