CC BY
89
УДК 338.45:662.6/.7:662.765:622.332:669.1:622.7 © С.Р. Исламов, 2018
будущее угля:
в поисках новой парадигмы
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-9-26-32
f* | ч
ИСЛАМОВ Сергей Романович
Доктор техн. наук, первый заместитель управляющего филиалом ООО «СибНИИуглеобогащение» в г. Красноярске, 660060, г. Красноярск, Россия, тел.: +7 (913) 532-84-88; e-mail: IslamovSR@suek.ru
В статье представлен критический анализ популярных версий воздействия угольной энергетики на климат Земли, дана оценка состояния двух крупнейших сфер потребления угля - энергетики и металлургии, которые до настоящего времени практически без изменения используют технологические принципы, разработанные на заре Промышленной революции. Автор рассматривает потенциально возможные пути преодоления технологического торможения, а также укрепления рыночной устойчивости угольных компаний в контексте возрастающей нестабильности мировых экономических условий. Ключевые слова:угольная энергетика, климат Земли, металлургия, угольное торможение, перспективные технологии.
ВВЕДЕНИЕ
Прежде всего необходимо понять, что наступивший период благоприятной для угля рыночной конъюнктуры - явление временное. С началом 21-го века мировая экономика вошла в длительную фазу неустойчивого функционирования. Специалисты по макроэкономике уже нашли для нее название - VUCA (volatility, uncertainty, complexity, ambiguity), то есть нестабильная, неопределенная, сложная и неоднозначная. Известный американский политолог Дж. Кунстлер так объясняет причину: «... мы вступили в эру колоссально жестокой международной борьбы за ресурсы» [1 ]. Есть и дополняющая точка зрения: потенциал компании мирового уровня во все большей мере будет определяться не доступом к ресурсам, а доступом к прорывным технологиям, которые способны обеспечить безусловное конкурентное преимущество при прочих равных условиях. В мире VUCA для обеспечения лидерства тех или иных транснациональных корпораций допустимо использование любых политических и экономических средств, как легальных, так и нелегальных, вплоть до развязывания локальных военных конфликтов, что стало, по сути, уже обыденной практикой в текущем десятилетии.
Поэтому рассчитывать на долгосрочную экономическую стабилизацию не приходится. За периодами относительного подъема с неизбежностью будут следовать очередные резкие спады. И целый ряд крупных экономистов уже прогнозируют приближение очередной рецессии.
В этих условиях задача бизнеса - эффективно адаптироваться к новой реальности. Тезис очевидный. Однако он требует конкретизации: куда направить вектор усилий?
Обобщенное резюме международных энергетических конференций последних лет: на мировом рынке нарастает дефицит углей премиального класса и высококачественной коксовой продукции. Поэтому производителям необходимо сосредоточиться на увеличении глубины предпродажной подготовки угля с целью существенного повышения его качественных характеристик. И решением этой задачи следует заниматься именно в период подъема рынка, а не тогда, когда наступят тяжелые времена!
ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИМАТА
И РОЛЬ ЭНЕРГЕТИКИ В ЭТОМ ПРОЦЕССЕ
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 после подписания Парижского соглашения по климату началась активная кампания противодействия развитию угольной промышленности в наиболее развитых странах мира. Энтузиасты энергетики возобновляемых ресурсов требуют резкого сокращения потребления угля в са-
мом ближайшем будущем и уже добились немалых успехов в европейских странах. Их заявления с большим удовольствием тиражируют, как правило, малокомпетентные СМИ. В этой связи уместно привести слова крупнейшего эксперта в области прогнозирования мировой энергетики В. Смила: «Современная энергетическая политика представляет собой обширную коллекцию мифов, неуместных надежд и необдуманных решений». Именно так обстоит дело с безуглеродной энергетикой, которая взяла на вооружение концепцию парникового эффекта, сфабрикованную в 1980-х годах в Минэнерго США с целью реабилитации атомной энергии после серии известных катастроф. Аналогичная афера фирмы Дюпон с озоновыми дырами, в свое время доведенная до подписания Монреальского протокола, на поверку оказалась всего лишь новым приемом конкурентной борьбы. Однако идея парникового эффекта получила более мощную раскрутку, и остановить этот процесс в ближайшие десятилетия будет практически невозможно, поскольку в него уже вложены и продолжают вкладываться колоссальные средства, в том числе на наукообразную поддержку в СМИ, а инвесторы этого проекта уже получают миллиардные дивиденды. Здесь интересно отметить, что академические ученые России были категорически против подписания Парижского соглашения, однако чиновники не посчитались с их мнением, поскольку, как известно, в своем отечестве пророков нет. Однако в последние годы в результате активного воздействия СМИ очень многие научные работники стали склоняться к признанию того, что все беды связаны с углеродным топливом. В популярных изданиях регулярно утверждается, что наблюдаемое повышение температуры Земли обусловлено преимущественно техногенными выбросами углекислого газа, который образуется при сжигании ископаемых топлив и, в первую очередь, угля. Еще в Древнем Риме сформулировали правило: после этого не значит вследствие этого (post hoc, non est propter hoc). Говоря современным языком: наличие корреляции между двумя событиями не является доказательством того, что одно из них является причиной второго. На эту тему можно привести массу парадоксальных примеров, переходящих в разряд комических.
Противники углеродной энергетики намеренно завышают соотношение объемов техногенных и природных выбросов CO2, игнорируют процессы образования других газов с более мощными радиационными свойствами, например метана и водяного пара. Кстати, с обывательской точки зрения, водяной пар считается самым безобидным продуктом сгорания. Однако выброс огромных объемов пара в результате сжигания природного газа становится спусковым механизмом катастрофических ливней и снегопадов, последствия которых регулярно приносят Европе миллиардные убытки [2]. Мало кого интересуют результаты исследования глубинных проб льда в Антарктиде, которые показали, что за прошедшие 420 тыс. лет без участия человека температура на Земле четыре раза повышалась на восемь градусов, а затем медленно возвращалась к исходному уровню. Согласно этим же исследованиям увеличение концентрации CO2 в атмосфере является не причиной, а следствием потепления. Дело в том, что в мировом океане растворено в 60-100
раз больше углекислого газа, чем его содержится в атмосфере, и он выделяется по мере повышения температуры воды [3].
В настоящее время примерно 34% проходящего через верхнюю границу атмосферы солнечного излучения отражается в космос, 19% поглощается атмосферой и 47% достигает поверхности Земли. Безусловно, повышение концентрации многоатомных газов в атмосфере должно повлиять на ее оптические свойства и привести к изменению соотношения указанных энергетических потоков. Однако на сегодняшний день взаимосвязь этого процесса с повышением температуры на нашей планете далеко не столь однозначна. Климат имеет цикличный характер, обусловленный в первую очередь относительным движением Земли и Солнца, колебанием его светимости и еще целым рядом сложнейших процессов астрономического порядка в тесной связи с Мировым океаном. Опираясь на геологические данные, серьезные ученые сходятся во мнении, что на Земле завершается очередной цикл потепления, за которым последует похолодание. К такому же выводу недавно пришли американские астрономы, которые на основе результатов 18-летнего исследования динамики излучения 33 звезд - аналогов Солнца спрогнозировали высокую вероятность существенного снижения интенсивности излучения нашей звезды в период с 2020 по 2050 г. Прогноз подтверждается прямыми наблюдениями за Солнцем: по мнению российских ученых, приближается так называемый великий минимум солнечной активности, который с большой вероятностью повлечет за собой серьезное похолодание на Земле [4].
Сегодня крайне трудно убедить борцов с углеродом в том, что концепция парникового эффекта основана на манипуляции очевидными фактами, поскольку она превратилась в неприкасаемый фетиш. Тем не менее, принцип парника заключается в аккумуляции солнечной энергии, поступающей в замкнутый объем через прозрачную стенку, то есть необходимым условием накопления тепловой энергии является препятствие отводу тепла. Откройте парник и восходящие конвективные потоки вынесут накопленную энергию. Сторонники парниковой модели используют только часть описанной схемы - повышенную способность многоатомных газов к поглощению солнечной радиации (причем по понятной причине внимание уделяется только углекислому газу - далеко не самому активному поглотителю солнечной энергии) и полностью игнорируют наличие конвективных процессов. Очевидно, что атмосфера Земли не является замкнутой системой: ее верхние слои имеют температуру ниже минус 50-60 градусов. Поэтому нагревающиеся за счет поглощения солнечной энергии газы поднимаются вверх, охлаждаются и затем возвращаются вниз. Модель парника здесь вряд ли уместна, особенно во время ночной половины суток, на которые приходится около половины каждого года.
Если говорить о факторах, не связанных с астрономическими явлениями, то наиболее реальным и опасным является тепловое загрязнение Земли [5]. Как правило, в обыденной жизни человеку не свойственно использовать научные знания. Однако согласно известному закону сохранения энергии вся произведенная человеком энергия в результате ее потребления не исчезает бесследно, а преобразуется в тепловую энер-
гию, которая рассеивается в окружающей среде, нагревая ее. С этой позиции «чистые» виды топлива и любые альтернативные способы получения энергии ничем не отличаются от угля!Так, например, практически вся электроэнергия, произведенная «экологически чистой» гидроэлектростанцией, в конечном итоге точно также превращается в тепло, как и химическая энергия, содержащаяся в угле. Те, кто не согласен с этим фактом, должны опровергнуть фундаментальный закон термодинамики о сохранении энергии.
Сегодня количество произведенной на Земле энергии примерно в 5000 раз меньше солнечной радиации, достигающей ее поверхности. Однако необходимо помнить, что это - все возрастающая добавка к естественно сложившемуся энергетическому балансу Земли, которая при достижении определенного уровня инициирует необратимые изменения в окружающей среде и климате. Многие ученые сходятся во мнении, что критической границей является производство энергии в количестве 0,1% от солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. По самым разным прогнозам этот предел будет достигнут за 25-50 лет в зависимости от фактического темпа развития энергетики [5]. Нарастание концентрации многоатомных газов в атмосфере также может внести свой вклад в сокращение этих сроков. Однако итоговый результат гораздо существеннее будет зависеть от астрономических процессов, которые, впрочем, имеют циклический характер.
Таким образом, нарастание техногенного воздействия на климат Земли обусловлено не способами производства энергии, а ростом общего потребления энергии, которое, к сожалению, невозможно остановить. Поэтому решения по управлению климатом необходимо искать совсем в другой области!
Что касается идеи безуглеродной энергетики, то, скорее всего, она неосуществима в пределах 21-го века. Все ее разновидности имеют мощный углеродный след, образуемый при производстве материалов, необходимых для изготовления оборудования (добыча полезных ископаемых, металлургия, нефтехимия, транспорт и т.п.). Поэтому самым слабым местом этой концепции является избыточный оптимизм по поводу темпа перехода к новым методам производства энергии при довольно слабой оценке рисков и экономической готовности «безуглеродных» генераторов энергии к глобальному тиражированию. Качественное изменение энергетической инфраструктуры мира - исключительно медленный процесс, требующий привлечения колоссальных ресурсов. По самым оптимистичным оценкам, чтобы к 2050 г. полностью отказаться от углеводородов, необходимо ежегодно расходовать не менее 25-30% мирового ВВП. Очевидно, что это - фантастическое условие. Нет сомнений, что мировая энергетика со временем будет изменяться, однако при сохранении основополагающего принципа энергообеспечения - комплексного использования самых разных источников энергии с учетом специфики климатических условий, региональной структуры энергетических ресурсов и экономического потенциала каждой страны [6].
Поэтому инвестиции необходимо направлять в первую очередь на совершенствование процессов генерации и повышение эффективности использования энергии, а не на борьбу с углекислым газом, поскольку это про-
сто бессмысленная трата крайне ограниченных финансовых ресурсов, которые человечество может использовать для решения более насущных проблем. Достаточно вспомнить, что около 40% населения планеты живет менее, чем на 2 дол. США в день, не только не имея представления об электричестве, но даже не получая достаточного количества питьевой воды.
УГОЛЬНОЕ ТОРМОЖЕНИЕ
За прошедшие полвека мировое потребление угля удвоилось. По разным прогнозам предполагается, что оно достигнет пика примерно к 2040-2050 гг. и далее начнет монотонно снижаться. Ожидается, что к этому времени доля безуглеродной энергетики в мировом энергобалансе составит от 15 до 30%, а ископаемых топлив, включая уголь, -не менее 50%. Однако долгосрочные прогнозы по динамике развития энергетики практически никогда не сбывались. В качестве примера можно напомнить, что около 40 лет назад после первого энергетического кризиса все эксперты были единодушны во мнении, что уже в начале 2000-х гг. подавляющее количество моторных топлив будет производиться из угля и на развитие этих технологий были брошены огромные средства. Однако прогноз оказался, мягко говоря, несостоятельным. Поэтому, скорее всего, реальность окажется более консервативной, и пик потребления угля сместится на более поздние сроки.
Признание того факта, что уголь будет использоваться в огромных количествах еще сравнительно долгое время, ни в коей мере не означает нашей удовлетворенности экологическими последствиями его использования. В этой связи еще одно заявление мирового эксперта В. Смила: «У нас не было бы причин так негативно отзываться об угле, если бы мы использовали его по современным передовым технологиям» [6]. И такие технологии есть как в нашей стране, так и за рубежом, однако, как это ни удивительно, для их внедрения требуется не меньше усилий, чем для опровержения идеи парникового эффекта.
В течение очень длительного периода времени сформировались две глобальных сферы использования угля - в качестве топлива в энергетике и в качестве углеродистого восстановителя в металлургии.
Период производства химических продуктов из угля можно считать незначительным эпизодом в его истории, который не имеет серьезной перспективы в России. И здесь совершенно неуместны ссылки на успешный опыт отдельных стран - у них совсем другая структура сырьевого и энергетического баланса. В наших экономических условиях уголь практически не в состоянии конкурировать с более технологичными видами химического сырья - нефтью и природным газом.
Хрестоматийным примером крупномасштабного угле-химического производства всегда служила корпорация SASOL в Южно-Африканской Республике. Однако первый завод по производству моторных топлив из угля в Сасол-бурге уже давно переведен на природный газ из Мозамбика со значительным экономическим эффектом. Такому же решению по главному заводу в г. Секунде препятствует только позиция правительства, поскольку отказ от использования угля (около 40 млн т в год) приведет к взрывному всплеску безработицы и соответственно к долгосрочной политической дестабилизации в стране.
Далеко не все знают, что в России себестоимость производства бензина на нефтеперерабаты вающем за воде - порядка 10 руб. за 1 литр, а большую часть той цены, которую мы видим на бензоколонке, составляют налоги. Добиться такой же себестоимости на угле просто невозможно. Однако вне зависимости от используемого сырья налогообложение производства моторного топлива остается таким же, как и для нефтеперерабатывающего завода [7]. Тем не менее время от времени появляется очередная группа энтузиастов получения бензина из угля, заявляющая о новейшем технологическом прорыве, а потом понемногу затихает, разобравшись в сути проблемы. Технологических препятствий на этом пути нет - производить бензин можно хоть из прошлогодних листьев. В Израиле, например, разработана технология производства бензина из городских фекалий. Однако в российских условиях производство моторного топлива из угольного сырья экономически неконкурентоспособно.
чатого сжигания, то есть этот передел не является технологией завершенного цикла. Как правило, газификация осуществляется под высоким давлением с использованием кислорода вместо воздуха, что влечет за собой значительное усложнение оборудования и, как следствие, - снижение надежности и рост удельных капитальных затрат. Естественно, что при этом сохраняется проблема золош-лаковых отходов. Для сторонников борьбы с выбросами углекислого газа можно отметить, что в процессе газификации весь углерод из угля переходит в синтетический газ. Удаление СО2 перед сжиганием газа, а тем более его секвестрация из дымовых газов, требует значительных инвестиций и ощутимо снижает КПД электростанции, а это в свою очередь увеличивает расход угля. В конечном итоге все дополнительные затраты суммируются в себестоимости угольного газа, и результирующий экономический эффект чаще всего малоубедителен для инвесторов, несмотря на высокие экологические показатели.
Угольная энергетика
Технологический принцип индустриального сжигания угля остается неизменным со времен Промышленной революции в Европе, а основы конструирования современных энергетических котлов были заложены еще в 1930-х гг. Очевидно, что эти устройства крайне трудно адаптировать к экологическим реалиям нашего времени, которые обострились только в последние десятилетия. В других отраслях промышленности за гораздо более короткий исторический период произошла смена уже нескольких технологических укладов. Сравним авиацию полувековой давности и сегодняшнего дня. Каких-то 20-30 лет назад мы практически не знали, что такое мобильные телефоны с Интернетом и цифровое телевидение. Список инноваций, которые вошли в нашу повседневную жизнь, можно продолжать очень долго. Однако, как это ни парадоксально, технологическая революция практически не затронула угольную энергетику. Да, значительно возросла мощность энергетических котлов для сжигания угля, все более повышаются параметры производимого пара, но технологический принцип сжигания угля не претерпел каких-либо изменений. В историческом масштабе проблема экологической безопасности при сжигании угля возникла сравнительно недавно. И сегодня ее единственным решением является увеличение капитальных затрат на очистные устройства, доля которых в современных электростанциях достигает уже 20-30%. И по мере ужесточения экологических требований эта цифра будет возрастать.
В сложившихся условиях напрашивается очевидное решение - необходимо перейти от борьбы с последствиями сжигания угля к изменению технологии в направлении радикального снижения эмиссии загрязняющих веществ. Кроме того, новый технологический принцип должен ощутимо снизить себестоимость производимой энергии.
Очень часто считают, что сформулированную выше задачу можно решить путем предварительной газификации угля, которая позволит очистить газ перед сжиганием и реализовать парогазовый цикл производства электроэнергии с более высоким КПД, чем в обычной схеме с паровой турбиной. С точки зрения термодинамики, газификация угля - не более чем первая стадия двухступен-
Черная металлургия
Как это ни странно, но вторая глобальная сфера потребления угля находится в еще более парадоксальном состоянии [8]. Сталь, которая является главным строительным материалом цивилизации, производится из чугуна, который в свою очередь изготавливается из железной руды и кокса в доменных печах. Этот технологический принцип начал распространяться по Европе на рубеже 15-16 веков и, по сути, сформировал базис для индустриального прорыва, известного как Промышленная революция в Европе. Естественно, что металлурги того времени не имели серьезных познаний в физике и химии - просто методом проб и ошибок они изобрели устройство для выплавки чугуна. Несмотря на достигнутое за много веков предельное совершенство конструкции доменной печи (в рамках изначально заложенной технологии), принцип ее работы основан на полном игнорировании современных представлений о химии гетерогенных процессов. Чтобы восстановить руду до железа необходимо при высокой температуре обеспечить ее взаимодействие с высокореакционным коксом (углеродом). Причем оба вещества должны иметь максимально возможную поверхность соприкосновения, то есть их необходимо измельчить до мелкодисперсного состояния. Это в соответствии с наукой. А на практике до сегодняшнего дня все осуществляется с точностью до наоборот! Железную руду сначала измельчают для обогащения, но перед подачей в домну опять окуско-вывают, а в качестве восстановителя используют также кусковой кокс, причем принципиально низкореакционный. Поэтому для интенсификации химического взаимодействия этих материалов в домну приходится вводить кислородное дутье. В течение многолетних усовершенствований технологии и конструкции домны себестоимость производства чугуна доведена до предельно возможного минимума. Однако сегодняшние рыночные условия настоятельно требуют прорывного снижения затрат на производство чугуна. Поэтому архаичная доменная технология с неизбежностью должна уступить дорогу металлургии нового поколения - прямому восстановлению железной руды (DRI - direct reduction iron).
Однако с новым технологическим принципом тоже не так все просто. Сегодня доля DRI в мировом объеме производ-
ства стали составляет всего лишь 12-14% (70-80 млн т в год). К большому сожалению, за 30 лет развития этого направления так и не удалось достигнуть ожидаемого прорыва. Около 80% продукции DRI производится с использованием природного газа. В подавляющем большинстве случаев это технология Midrex и ее вариации и гораздо реже - Energiron. Восстановительный газ, полученный путем газификации угля, не нашел широкого применения в этом сегменте, поскольку его производство требует значительных инвестиций. Оставшуюся часть рынка (немного меньше 20%) занимает технология SL/RN - наклонная вращающаяся печь с твердым топливом. Вклад других технологий пренебрежимо мал. При этом во всех случаях, как правило, используется кусковое железорудное сырье, преимущественно - окатыши. Таким образом, современные технологии DRI сделали только первый шаг в направлении прогресса - отказались от использования классического кускового кокса. Очевидно, что в будущем уже не будет повсеместного господства единственной технологии, как в период расцвета доменного производства. В качестве восстановителя будут использовать и газовые, и твердые восстановители железной руды. Да, природный (или попутный нефтяной) газ - практически идеальный заменитель кокса, однако для довольно ограниченного кол и чества стра н, имеющих собственн ые месторождения. Наиболее распространенным в мире видом топлива является уголь энергетических марок, и в этой связи следует ожидать увеличения объема производства DRI именно за счет использования угольного топлива. И, безусловно, прорывным результатом должен стать отказ от использования окускованного железорудного сырья. Поэтому можно сказать, что металлургия нового поколения еще находится в стадии формирования.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
И ПЕРЕРАБОТКИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УГЛЕЙ
Кратко обсудим некоторые инновационные решения, которые могут быть испол ьзованы для выхода из технологических тупиков в традиционных сферах использования угля.
От тепловой энергетики к энерготехнологии
В области энергетического использования угля огромный потенциал имеет технологическое комбинирование производства тепловой энергии и углеродистых материалов. Это реализация известного принципа когенерации двух п родукто в, которы й в данном случае оказы вается еще более эффективным, чем при параллельном производстве тепла и электричества. При сопоставимой рыночной цене конечного продукта производство электричества требует на порядок больших инвестиций. Основой энерготехнологической схемы использования угля является технология его частичной газификации [9]. В этом случае в газовое топливо преобразуются только летучие вещества угля, а твердый углеродистый остаток (термококс) выводится из энергетического цикла для использования в других сферах промышленности. Такая технология может быть реализована разными способами. Так, например, внутри типового угольного котла после незначительной модификации можно одновременно осуществлять процесс частичной газификации угля и сжигания образующегося газового топлива. Экологические показатели такого котла сопоставимы с показателями котла, работающего на природ-
ном газе. Более того, угольный котел не имеет золошлако-вых отходов, так как зола капсулируется в твердом продукте - термококсе. Кстати, при этом без дополнительных инвестиций эмиссия СО2 сокращается почти на треть (вследствие повышенного содержания водорода в газовом топливе по сравнению с углем). Необходимо акцентировать, что описываемый результат достигается не за счет улавливания и захоронения, а за счет изменения технологического принципа сжигания, который без дополнительных затрат повышает экологическую безопасность дымовых выбросов. Еще один уникальный результат: поскольку газовые выбросы относятся на единицу отпускаемой тепловой энергии, то можно считать, что термококс производится с нулевыми выбросами! Радикально изменяются и экономические показатели: продажа термококса, как минимум, компенсирует затраты на приобретение топлива, поэтому тепловая энергия производится из газа с условно нулевой стоимостью! Но, как это ни парадоксально, именно данный факт является препятствием для внедрения технологии, поскольку ни одна теплогенерирующая компания не желает радикального снижения отпускного тарифа. Безусловно, частичная газификация - огромный прогресс в технологии энергетического использования угля, если учесть неизбежность нарастания его потребления, как минимум до середины текущего века. Область применения этой технологии - малая и средняя теплоэнергетика.
От доменной технологии
к прямому восстановлению железной руды
В течение последнего десятилетия около 20-25% мощностей мировой черной металлургии находится в простое. Главная причина - переоценка темпов развития китайской экономики. Избыток предложения привел к снижению рыночных цен и выходу из игры производителей с повышенной себестоимостью. Сегодняшнее улучшение рыночной конъюнктуры не снимает с повестки дня общепризнанный факт: доменная технология полностью исчерпала свой экономический потенциал. Однако у нее нет достойной замены! Лидирующая на сегодняшний день технология прямого восстановления Midrex (включая ее различные версии) предоставила определенные преимущества компаниям, имеющим доступ к дешевому природному газу. Однако она сохранила архаичное технологическое условие - необходимость окускования железорудного концентрата. По перечисленным причинам она не имеет перспективы для глобального замещения доменного производства.
Постановка задачи выглядит следующим образом. Прямое восстановление железорудного концентрата должно осуществляться в мелкозернистом виде, без использования классического кокса или дорогого для многих стран природного газа, а также без кислородного дутья. Другого способа существенно снизить себестоимость стали просто не существует! Дополнительный импульс этому направлению придают две новейших тенденции в развитии металлургии - переход к строительству мини-заводов и концепция Industry 4.0, содержание которой в концентрированном виде сводится к созданию безлюдных технологий.
Решение поставленной задачи с максимальным экономическим и экологическим эффектом возможно за счет ис-
пользования в качестве углеродистого восстановителя высокореакционного термококса, полученного путем частичной газификации дешевого бурого угля [10]. Кроме того, крупномасштабное замещение кокса новым продуктом, произведенным с нулевыми выбросами, обеспечит радикальное снижение техногенного воздействия черной металлургии на окружающую среду, поскольку традиционные коксохимические заводы имеют I класс экологической опасности с выбросом огромного количества вредных веществ.
Термические методы обогащения угля
Неоспоримый факт, что состояние и перспективы развития угольной промышленности России тесно взаимосвязаны с эффективностью экспорта. С одной стороны, зарубежные потребители непрерывно повышают требования к качеству твердого топлива (снижение содержания влаги, зольности, серы и т.д.). С другой стороны, необратимо возрастают транспортные расходы, что требует увеличения «теплотворной» загрузки вагона и морского судна. Эти два фактора активно стимулируют производителей к повышению степени обогащения угля, причем в самом широком смысле этого термина, поскольку в современных условиях классические методы гравитационного обогащения оказываются недостаточными - необходимо снижать содержание влаги и даже летучих веществ, то есть использовать методы термической обработки угля. По своей сути, это тоже обогащение угля, поскольку целевым продуктом по-прежнему остается высококалорийное углеродное топливо, однако более высокого марочного класса.
Рассмотрим два направления термического облагораживания энергетических углей.
• Сушка
Использование этой технологии особенно актуально для расширения рынка сбыта бурых углей, имеющих высокое содержание влаги (например, до 35% в углях Канско-Ачинского бассейна). Однако за достаточно протяженный исторический период так и не удалось решить проблему атмосферной устойчивости сушеного бурого угля. Дело в том, что в процессе сушки формируется продукт с низкой структурной прочностью, которая резко повышает его истираемость с образованием взрывоопасной буроугольной пыли. Высокая пористость сушеного угля увеличивает поверхность контакта с воздухом, что в отсутствие влаги в порах интенсифицирует склонность к самовозгоранию. К тому же пористость обеспечивает возможность повторного поглощения влаги, правда, до более низкого уровня, чем у исходного угля. Любые способы поверхностной обработки сушеного бурого угля оказываются неприемлемо затратными и поэтому не нашли широкого применения на практике.
По совокупности перечисленных выше причин до настоящего времени технология сушки бурого угля не используется в промышленном масштабе для получения топлива с повышенной теплотой сгорания, допускающего длительное хранение в штабеле и транспортировку на дальние расстояния.
Технологическое решение проблемы заключается в использовании такого способа воздействия на исходный материал, который одновременно с удалением влаги обеспечивает значительную усадку и упрочнение угольной матрицы. Низкая пористость продукта значительно сократит его способность к самовоспламенению и повторно-
му поглощению влаги. При этом за счет увеличения плотности существенно возрастет загрузка вагона в пересчете на теплотворную способность угля.
• Карбонизация
Это направление термической переработки энергетических углей (главным образом марок Б и Д) предполагает удаление помимо влаги значительной части летучих веществ. Задача решается с помощью различных вариантов технологий пиролиза и частичной газификации угля, которые обеспечивают производство как кускового облагороженного топлива, так и мелкозернистого карбонизата с последующим его формованием в брикет или гранулы.
Целевыми продуктами переработки являются:
• специализированные виды топлива с высокой теплотой сгорания (аналоги марок СС и Т), например для обжига цементного клинкера, для спекания глинозема и т.п.;
• высокореакционные углеродистые восстановители для электрометаллургии и прямого восстановления железной руды;
• бездымное твердое топливо.
Экономическая эффективность замещения классического кокса в черной металлургии не требует обсуждения. Что касается бездымного топлива, то в последние годы в связи с запретом прямого сжигания угля в частном секторе Китая бурно возрастает его использование для топочных устройств малой и средней мощности. Этот вид топлива также представляет огромный интерес для экологически неблагополучных регионов нашей страны (Кузбасс, Красноярский край и др.), где главной причиной загрязнения городской атмосферы является использование угля в частном секторе и малых котельных.
Совершенствование традиционных методов
повышения качества угольной продукции
• Обогащение тонких классов угля
Подавляющее большинство обогатительных фабрик продолжает выбрасывать в отвал десятки миллионов тонн мелкодисперсного угля после фильтр-прессования, главным образом по причине его высокой зольности и влаги. До настоящего времени не удалось разработать эффективную технологию кондиционирования этого вида сырья, которое до сих пор классифицируется как отход обогащения. Однако это уголь, на добычу которого были затрачены огромные средства. И, учитывая масштабы безвозвратных потерь в виде кека, крайне необходимо сосредоточиться на поисках прорывного решения по вовлечению его в коммерческий оборот. Именно прорывного, поскольку такие очевидные подходы, как сушка и классические методы обогащения, пока что не обеспечивают удовлетворительного экономического эффекта.
• Приготовление смесевых топлив
«Существующие в настоящее время системы приемки,
хранения, подготовки угольного топлива и золоудаления являются наиболее затратными элементами угольной электро- и теплогенерации. Приготовление стандартизованного угольного топлива в местах добычи угля минимизирует затраты ТЭС, связанные с углеподготовкой, и увеличивает конкурентоспособность угольной генерации электроэнергии и тепла в европейской части РФ». Это позиция Института конъюнктуры рынка угля, еще в 2006 г.
представленная профессором А. Ковальчуком на конференции «Вторая угольная волна, рынок газа и реформа тепловой электроэнергетики». И многие зарубежные страны уже достаточно далеко продвинулись в этом направлении. Тем не менее в России практически отсутствует крупномасштабное производство смесевого топлива.Одна из причин, по-видимому, заключается в том, что у производителя, как правило, нет в распоряжении избыточных объемов угля с высокой теплотой сгорания - необходимого сырьевого ресурса для реализации этой технологии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Безусловно, перечень новых направлений, в которых угольные компании могут добиться успехов, не исчерпывается описанными выше технологическими решениями и не является универсальным для всех. Главная цель данной работы - побудить производителей угля к опережающей оценке своего положения в новых экономических условиях и поиску индивидуально приемлемых технических решений, направленных на долгосрочную экономическую стабилизацию рыночного положения компании.
Список литературы
1. Кунстлер Дж. Что нас ждет, когда закончится нефть, изменится климат и разразятся другие катастрофы XXI века. СПб.: Питер, 2011. 304 с.
2. Исламов С.Р. Эффект бабочки: как начинаются наводнения // Наука и жизнь. 2013. № 10. С. 122-123.
3. Сорохтин, О.Г. Эволюция и прогноз изменений глобального климата Земли. Москва - Ижевск: Институт компьютерных исследований; НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2006. 88 с.
4. Симонов А. Солнце грозит ледником // Российская газета. 2018. 28 марта. № 64.
5. Хайтун С.Д. Энергетика, построенная на круговороте тепла и вечных двигателях 2-го рода. Ч.1. М.: Издательство URSS, 2013. 192 с.
6. Смил В. Энергетика: мифы и реальность. Научный подход к анализу мировой энергетической политики. М.: АСТ-ПРЕСС КНИГА, 2012. 272 с.
7. Степанов С.Г., Исламов С.Р. Проблемы производства жидкого топлива из угля // Уголь. 2015. № 7. С. 50-53. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/072015.pdf (дата обращения: 15.08.2018).
8. Исламов С.Р., Степанов С.Г. О возможности замены коксовой парадигмы // Черные металлы. 2014. № 9. С. 17-22.
9. Исламов С.Р. Энерготехнологическое использование угля Канско-Ачинского бассейна // Теплоэнергетика. 2013. № 11. С. 12-16.
10. Исламов С.Р. Бурый уголь как основа металлургии нового поколения // Уголь. 2017. № 7. С. 17-21. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/072017.pdf (дата обращения: 15.08.2018).
COAL MARKET
UDC 338.45:662.6/7:662.765:622.332:669.1:622.7 © S.R. Islamov, 2018
ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2018, № 9, pp. 26-32 Title
FUTURE OF COAL: SEARCHING FOR NEw PARADIGM
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2018-9-26-32
Author
Islamov S.R.1
1 Branch "SibNIIugleobogashenie" LLC, Krasnoyarsk, 660060, Russian Federation
Authors' Information
Islamov S.R., Doctor of Engineering Sciences, First Deputy Manager, tel.: +7 (913) 532-84-88, e-mail: IslamovSR@suek.ru
Abstract
The paper presents the critical review of the popular ideas of coal-fired power generation impact on the Earth climate and assesses the conditions of two major coal consumption areas - power generation and metallurgy, still deploying the technologies, which have been developed at the rise of the industrial revolution. The author discusses potential ways to overcome technological retardation and to consolidate coal companies market stability in the situation of escalating instability of the global economic conditions.
Keywords
Coal-fire power generation, Climate of the Earth, Metallurgy, Coal industry retardation, Advanced technologies.
References
1. Kunstler J. Chto nas zhdet kogda zakonchitsya neft izmenitsya klimat i razra-zyatsya drugie katastrofy XXI veka [What will happen after oil ends, climate changes and other XXI century catastrophes break out?]. St-Petersburg, Piter Publ., 2011, 304 p.
2. Islamov S.R. Effekt babochki kak nachinayutsya navodneniya [The Butterfly effect: how do floods start]. Nauka i zhizn - Science and Life, 2013, No. 10, pp. 122-123.
3. Sorokhtin O.G. Evolyutsiya i prognoz izmeneniy globalnogo klimata Zemli [Evolution and forecast of the global Earth's climate change]. Moscow -
Izhevsk, Computer Research Institute; Research Center "Regular and Chaotic Dynamics", 2006, 88 p.
4. Simonov A. Solntse grozit lednikom [The Sun threatens with glacier]. Ros-siyskaya gazeta - Russian Newspaper, 2018, 28 March, No. 64.
5. Khaytun S.D. Energetika postroennaya na krugovorote tepla i vechnyh dvi-gatelyah2-goroda [Power generation built on heat circulation and perpetual motion machines of the 2nd kind]. P.1. Moscow, URSS Publ., 2013, 192 p.
6. Smil V. Energetika mify i realnost Nauchnyy podhod k analizu mirovoy energeticheskoy politiki [Power generation; myth and reality. Scientific approach to the global energy policy analysis]. Moscow, AST-PRESS KNIGA Publ., 2012, 272 p.
7. Stepanov S.G. & Islamov S.R. Problemy proizvodstva zhidkogo topliva iz uglya [Problems of liquid fuel production from coal]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2015, No. 7, pp. 50-53. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/072015. pdf (accessed 15.08.2018).
8. Islamov S.R., Stepanov S.G. O vozmozhnosti zameny koksovoy paradigmy [On possibility of coke paradigm replacement]. Chernye metally - Ferrous Metals, 2014, No. 9, pp. 17-22.
9. Islamov S.R. Energotekhnologicheskoe ispolzovanie uglya Kansko-Achin-skogo basseyna [Kansk-Achinsk basin coal involvement in power generation process]. Teploenergetika - Steam Power Industry, 2013, No. 11, pp. 12-16.
10. Islamov S.R. Buryi ugol' kak osnova metallurgii novogo pokoleniya [Brown coal as the basis of ferrous metallurgy of new generation]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, No. 7, pp. 17-21. Available at: http://www.ugolinfo.ru/ Free/072017.pdf (accessed 15.08.2018).
