Перспективы термического обогащения бурых углей методом частичной газификации

© С.Р. Исламов, 2015

УДК 662.7; 669.1 С.Р. Исламов

ПЕРСПЕКТИВЫ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБОГАЩЕНИЯ БУРЫХ УГЛЕЙ МЕТОДОМ ЧАСТИЧНОЙ ГАЗИФИКАЦИИ

Изложена новая концепция использования углей с высоким содержанием летучих веществ, которая характеризуется беспрецедентно высоким уровнем экологической безопасности и экономической эффективности. В результате частичной газификации из углей этого класса производятся два ценных продукта — газовое топливо и высококалорийный углеродный остаток (термококс).

Переработка угля осуществляется в типовых котлах для сжигания угля после их незначительной модификации. Модифицированный котел работает на газовом топливе и не имеет золошлаковых отходов. Таким образом, его экологические показатели вплотную приближаются к показателям котлов на природном газе. Продажа второго продукта (термококса), как минимум, компенсирует затраты на топливо, так что тепловая энергия производится за счет сжигания газа с условно нулевой стоимостью.

Термококс позиционируется как перспективный продукт широкого спектра применения главным образом в черной металлургии: пылевидное топливо для вдувания в домны, агломерационное топливо, в брикетированном виде — заменитель классического кокса в электрометаллургии (производство ферросплавов, поликристаллического кремния и т.п.). Однако стратегическим направлением является использование дешевого высокореакционного термококса в качестве углеродного восстановителя в технологии прямого восстановления железной руды.

В работе обобщаются результаты опытно-промышленного тестирования технологии частичной газификации углей марок Б и Д и различных вариантов использования термококса.

Ключевые слова: угли с высоким содержанием летучих веществ, термококс, частичная газификация угля, черная металлургия, сжигание угля, экологически безопасное использование угля.

Экономическая ситуация в мире изменилась радикальным образом. С началом XXI века мировая экономика вступила в длительную фазу неустойчивого функционирования. Поэтому рассчитывать на политико-экономическую стабилиза-

цию в обозримом будущем не приходится. Да, будут периоды относительной стабильности, но не столь продолжительные как раньше. А за ними с неизбежностью последуют очередные резкие спады. Поэтому нам необходимо избавиться от иллюзии, что текущий период политического и экономического кризиса — это несколько лет неблагоприятной конъюнктуры, которые нужно просто переждать.

Сокращаются запасы и усложняются геологические условия в традиционных угледобывающих регионах, снижается качество угля. Это вызывает необходимость увеличения затрат на его обогащение. С целью освоения более привлекательных месторождений, а также минимизации экспортно-транспортных затрат добыча перемещается в новые области, как правило, удаленные от базовой инфраструктуры и требующие значительных инвестиций для их полноценного развития. В целом все перечисленные факторы обусловливают необратимый рост себестоимости производства высокосортных энергетических и металлургических углей. Это условие входит в противоречие с уменьшением спроса и долгосрочной стабилизацией низких цен на мировом рынке. Правительству России удалось в определенной степени снизить остроту проблемы для экспортеров угля путем двукратного удешевления национальной валюты, однако это — одноразовый прием. В дальнейшем производители угля должны полагаться только на внутренние резервы своих предприятий.

В новых экономических условиях одним из наиболее эффективных решений является повышение глубины предпродажной переработки угля с целью увеличения его добавленной стоимости. В первую очередь это касается углей низкой степени метаморфизма и отходов обогащения, которые имеют ограниченный сбыт даже на внутреннем рынке, не говоря уже об экспорте. Более того, для этой категории сырья традиционно вообще не рассматривались какие-либо способы обогащения.

С одной стороны, низкосортные угли (а также отходы углеобогащения) — это проблема, с другой — неиспользованный ресурс развития!

Классическое обогащение угля осуществляется по двум направлениям — отделение породы и в отдельных случаях — частичное удаление влаги (сушка), т.е. снижение доли балластных компонентов с точки зрения теплотворной способности топлива.

Однако в приложении к бурым углям эти технологии имеют низкую экономическую эффективность. Более того, сушка бурых углей имеет отрицательные технологические последствия. Степень возгораемости углей и взрывоопасность пыли напрямую связаны с содержанием летучих веществ и резко усиливаются по мере снижения влажности угля. Второе следствие сушки молодых углей — существенное снижение прочности куска и повышенное пылеобразование при перегрузках. Поэтому транспортировка сушеных углей на дальние расстояния и их хранение при наличии контакта с воздухом представляют большую проблему. Перечисленные причины не позволяют рассматривать сушку в качестве приемлемого способа обогащения углей с высоким содержанием летучих веществ.

В углях марок Б, Д, Г, кроме влаги, значительную часть массы составляет относительно низкокалорийный компонент — летучие вещества, который так же оказывает влияние на теплоту сгорания топлива и соответственно его сортность.

Поэтому наиболее эффективным решением задачи обогащения этого класса углей является удаление влаги с одновременным снижением содержания летучих веществ.

Новая концепция использования углей

с высоким содержанием летучих веществ

Исходя из перечисленных выше предпосылок, была разработана и апробирована на опытно-промышленном уровне принципиально новая концепция использования молодых углей, в первую очередь, углей Канско-Ачинского бассейна, основанная на технологическом комбинировании нескольких процессов в рамках единого производственного комплекса. Высокая экономическая эффективность одного из таких приемов — когенерации (одновременного производства тепла и электроэнергии) достаточно давно известна в энергетике.

Разработанная технология (торговая марка ТЕРМОКОКС) заключается в частичной газификации угля, в результате которой производится два продукта — газовое топливо и углеродный остаток (термококс), имеющий существенно более высокую потребительскую стоимость, чем исходный уголь [1]. Газовое топливо экологически чисто сжигается на месте с получением

Рис. 1. Концепция частичной газификации угля

тепловой энергии, а термококс поставляется на рынок металлургического сырья или специальных видов топлива (рис. 1).

Принципиальная особенность нового технологического принципа -отсутствие золошлаковых отходов, а также отходов в виде смолы и фенольных сточных вод, которые являются традиционными спутниками любых процессов термической переработки угля.

Другим положительным моментом является отсутствие необходимости многолетней отработки конструкции инновационного оборудования. Частичная газификация угля осуществляется в типовых энергетических котлах для сжигания угля, подвергнутых незначительной модификации (рис. 2).

1. Основные свойства термококса и сферы его применения.

Стратегической сферой использования термококса является металлургия.

В отличие от энергетического угля кокс в металлургии, кроме источника энергии, является еще и восстановительным агентом. Использование кускового кокса, производимого из дорогих коксующихся углей, диктуется только архаичными металлургическими технологиями, консерватизмом высшего технологического менеджмента и, в первую очередь, торможением крупномасштабных инвестиционных процессов,

Рис. 2. Принципиальная схема котла серии ТЕРМОКОКС

необходимых для радикальной перестройки металлургических комплексов. В частности, доменное и коксовое производство почти в современном виде было создано около 100 лет назад и далее только совершенствовалось без радикальных изменений технологии. На сегодняшний день доменное производство чугуна полностью исчерпало свой потенциал. Себестоимость продукции определяется главным образом следующими статьями затрат: производство железорудных окатышей, доменный кокс и кислород, ни одну из которых невозможно снизить даже на 1%! Будущее металлургии чугуна и стали — за недоменными технологиями. С современных позиций физической химии наивысшей производительности при переработке железной руды можно добиться только при взаимодействии руды и углерода в мелкодисперсном состоянии, кроме того, углерод должен иметь предельно возможный показатель реакционной способности. То есть можно отказаться от энергоемкого процесса спекания руды в окатыши, можно отказаться от использования коксующихся углей и экологически опасного производства кокса и, наконец, отпадает потребность в производстве кислорода. Это — единственно возможный путь снижения себестоимости производства чугуна. А термококс — единственный углеродный материал, который в полной мере отвечает требованиям к сырью для металлургии нового поколения. Кроме низкой себестоимости (20-30 долл/т), он обладает целым рядом положительных физико-химических характеристик, важных для металлургии. Прежде всего, это — на порядок более высокая реакционная способность при восстановлении железной руды, а также пониженное электросопротивление, что исключительно важно для электрометаллургии, так как позволяет ощутимо снизить электропотребление.

Концепция ТЕРМОКОКС является технологическим прорывом в области использования молодых углей, не имеющим мировых аналогов. Она обеспечивает радикальное решение назревших проблем угольной энергетики и черной металлургии.

2. Экономические показатели новой технологии.

При параллельном производстве термококса и энергетической продукции (см. рис. 1) удельные капзатраты в расчете на 1 МДж производимой продукции в несколько раз меньше, а эффективность производства существенно выше, чем в проектах

классической электроэнергетики. Соответственно — в несколько раз сокращается срок окупаемости инвестиций.

3. Экологические показатели.

В котле сжигается газовое топливо с небольшой примесью пыли термококса (10-15%), выносимой из кипящего слоя. Это обеспечивает снижение контролируемых выбросов в атмосферу — в 10-20 раз по разным показателям (пыль, оксид углерода, оксиды азота и др.) по сравнению с традиционными угольными котлами. Технология не имеет золошлаковых отходов, поскольку содержащаяся в угле зола переходит в коксовый продукт. Соответственно исключается необходимость создания золошлаковых отвалов. В системе пылеочистки от дымовых газов отделяется незначительное количество летучей золы, которая востребована в цементной промышленности.

Поскольку продукты сгорания относятся на производство тепловой энергии, второй продукт — термококс, производится с нулевыми выбросами в окружающую среду. Сравним с экологическими показателями традиционного коксохимического комбината. Согласно постановлению Правительства РФ от 28 сентября 2015 г. № 1029 классическое производство кокса имеет I категорию опасности по негативному воздействию на окружающую среду.

4. Социально-экономические показатели.

Комбинированное производство двух продуктов (тепловая

энергия и термококс) на базе модифицированных типовых котлов приводит к радикальному изменению интегральных экономических показателей. Продажа термококса по текущим рыночным ценам (в брикетированном виде — от 4000-6000 руб/т), как минимум, компенсирует затраты на приобретение угля, так что тепловая энергия производится из газа с условно нулевой стоимостью.

Данный фактор обеспечивает беспрецедентное условие для формирования предельно низкого тарифа на отпускаемое тепло, которого не может обеспечить ни одна из известных технологий использования природного топлива.

При разделении операционных затрат между двумя продуктами в определенной пропорции можно обеспечить кратное снижение отпускной цены термококса по сравнению с ценой классического кокса.

5. Расширение базы стратегических ресурсов страны.

Использование технологии частичной газификации в приложении к углям Канско-Ачинского бассейна (запасы, доступные для открытой добычи — более 100 млрд т) переводит это месторождение в категорию стратегического ресурса России, сопоставимого по значимости с крупнейшими газовыми и нефтяными провинциями страны. Кратное увеличение энергоэффективности использования угля и предельный уровень экологической безопасности обеспечивают условия для создания высокоэффективной энергетики и металлургии нового поколения, не имеющих мировых аналогов.

6. Предпосылки для создания металлургии нового поколения.

Новый углеродный материал — термококс, имеет примерно

в 20 раз более высокую реакционную способность в процессах восстановления металлов и на порядок более низкую себестоимость по сравнению с классическим коксом. В силу природных свойств бурого угля продукт производится в виде мелкозернистой фракции, поэтому для использования в существующих металлургических процессах его необходимо брикетировать. При этом сохраняется значительное преимущество в себестоимости по сравнению с традиционным коксом. В частности, в течение 2012-2013 года была проведена серия успешных опытно-промышленных тестов брикетированного термококса на металлургических предприятиях Урала и Кузбасса.

Однако реальный технологический прорыв в металлургии будет осуществлен при переходе к использованию мелкозернистого термококса в процессах прямого восстановления металлов и, в первую очередь, в производстве стали и ферросплавов. Соответствующие технологии уже действуют по всему миру, но пока что в незначительных масштабах. Сдерживающим фактором является дефицит дешевых углеродных восстановителей. Крупнейшие сталелитейные компании активно расширяют недоменное производство чугуна. В 2010 г. японская корпорация Kobe Steel выполнила успешное тестирование в своей технологии красноярского термококса, изготовленного из березовского бурого угля. Одна из ведущих мировых компаний в области производства металлургического оборудования OUTOTEC построила по всему миру более 20 заводов с печами нового поколения. Их новизна заключается в использовании погружной

фурмы, позволяющей вводить в расплав шихты пылевидный или газообразный восстановитель.

Приведенные примеры являются подтверждением того, что авангард мировой металлургии уходит от использования классического кокса. Сегодня без кокса производится порядка 70 млн т/год стали. Это — пока что сравнительно небольшая доля в общемировом объеме производства. Однако без сомнения новые экономические условия интенсифицируют процесс внедрения технологий прямого восстановления железа.

В сегодняшнем состоянии черная металлургия России и, в первую очередь, обеспечивающие ее сырьевые отрасли не готовы к конкуренции с мировыми лидерами в области технологий нового поколения. Так, например, угольная промышленность Кузбасса основные дивиденды имеет от экспорта коксующегося угля, востребованность которого в стратегической перспективе будет снижаться, как впрочем, и коксующегося угля Якутии. Интегральные последствия технологической революции в мировой металлургии для экономики России будут чрезвычайно тяжелыми.

Принципиально новый подход к использованию бурых углей на основе концепции ТЕРМОКОКС обеспечивает технологическую платформу для создания энергетики и металлургии нового поколения, отвечающих современным требованиям к энергоэффективности и экологической безопасности. Новая технология имеет огромный потенциал для вывода отечественной теплоэнергетики и черной металлургии на лидирующие позиции в мире.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Исламов С.Р. Энерготехнологическая переработка углей. — Красноярск: Поликор, 2010. — 224 с.

2. Исламов С.Р. Переработка низкосортных углей в высококалорийное топливо // Уголь. — 2012. — № 3. — С. 76-78.

3. Исламов С.Р. Экономический кризис как побуждение к глубокой переработке угля // Уголь. — 2013. — № 2. — С. 46-48.

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -

Исламов Сергей Романович — д-р техн. наук, Управляющий филиалом ООО «СибНИИуглеобогащение» в г. Красноярске, Красноярск, e-mail: IslamovSR@suek.ru

A

UDC 662.7; 669.1

PROSPECTS OF THERMAL ENRICHMENT

OF BROWN COALS BY PARTIAL GASIFICATION METHOD

Islamov Sergey R., Doctor of Engineering Sciences, Design Institute «SIBNIIugle-obogaschenie» of company SUEK, Head of Krasnoyarsk Branch, Krasnoyarsk, e-mail: IslamovSR@suek.ru

A new concept of high volatile coals processing is suggested. It is characterized by an unprecedented high level of environmental safety and economic efficiency. As a result of the partial gasification of such coals produced two valuable products — fuel gas and high-calorific, highly reactive carbonizate (trade mark — termocoke).

Coal processing is carried out in standard boilers for coal combustion after minor modification. Modified boiler works on gas fuel and has no ash waste. Thus, its environmental performance are coming close to parameters of boilers burning natural gas. Sale of a second product (termocoke), as minimum, offsets the cost of fuel, so that the thermal energy produced by the burning of gas has conditional zero cost.

Termocoke positioned as a promising product wide range of applications primarily in the ferrous metallurgy: pulverized fuel injection in the blast furnace, fuel for ore agglomeration, in the form of a briquette — a substitute for the classic coke in electrometallurgy (production of ferroalloys, polycrystalline silicon, etc.). But, the strategic direction is to use cheap highly reactive thermocoke as a reducing agent in the direct reduction of iron ore.

The paper summarizes the results of pilot testing technology of partial gasification of coals type B and D, and various applications of termocoke.

Key words: high volatile coals, thermocoke, partial coal gasification, ferrous metallurgy, coal combustion, environmentally foolproof coal utilization.

References

1. Islamov S.R. Energotechnologicheskaya pererabotka ugley (Energytechno-logical processing of coals), Krasnoyarsk, Polykor, 2010, 224 p.

2. Islamov S.R. Ugol (Coal), 2012, no. 3, pp. 76-78.

3. Islamov S.R. Ugol (Coal), 2013, no. 2, pp. 46-48.