CC BY
239
УДК 662.765:622.332:669.1 © С.Р. Исламов, 2017
Бурый уголь как основа
черной металлургии нового поколения
— DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-7-17-21 -
ИСЛАМОВ Сергей Романович
Доктор техн. наук, управляющий филиалом ООО «СибНИИуглеобогащение», 660060, г. Красноярск, Россия, e-mail: IslamovSR@suek.ru
и статье оосуждается концепция создания черной металлургии нового поколения, которая обеспечивает радикальное снижение себестоимости продукции и высокий уровень экологической безопасности. Уникальные экономические и экологические показатели достигаются за счет технологии частичной газификации бурого угля, а также параллельного производства тепловой энергии.
Ключевые слова: экономика черной металлургии, частичная газификация угля, бурый уголь, недоменное производство чугуна.
ВВЕДЕНИЕ
Сменяющие другу друга экономические кризисы кроме чисто финансовых причин в значительной мере обусловлены исчерпанием потенциала существующего технологического уклада в базовых отраслях промышленности. Наиболее ярко эта ситуация проявляется в черной металлургии. Сегодня перспективы ее развития рассматриваются только в тесной взаимосвязи с прогнозами развития китайской экономики, на долю которой приходится почти половина мирового производства и потребления стали. Весь спектр аналитических исследований на эту тему сводится к той или иной трактовке единственного вопроса: когда и насколько ускорятся темпы развития китайской экономики и соответственно возрастут цены на металлургическую продукцию? Однако ставка только на благоприятные рыночные условия резко снижает надежность функционирования отрасли в долгосрочном плане. Поэтому на перспективу ближайших десятилетий стратегической целью развития металлургии должно стать радикальное снижение себестоимости производства стали. При этом необходимо сделать акцент на слове «радикальное».
Однако эта задача не имеет решения в рамках классической коксодоменной технологии производства чугуна, история которой началась примерно 300 лет тому назад.
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ТУПИК
ТРАДИЦИОННОЙ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Примерно от 60 до 80% себестоимости производства чугуна приходится на железорудное сырье и кокс. Причем со временем эти статьи затрат будут только возрастать. Это обусловлено объективной тенденцией к снижению качества руды, переносом добычи в удаленные регионы, а также неуклонным повышением транспортных тарифов. Точно так же обстоит дело с коксующимися углями и соответственно с коксовой продукцией. Следовательно, в рамках классического сценария развития черной
металлургии промышленность практически обречена на необратимое удорожание главного конструкционного материала - стали. А если называть вещи своими именами, это означает, что цивилизация движется в экономический тупик.
Как показывает история промышленности, в таких условиях монотонная траектория развития неизбежно претерпевает бифуркационный перелом, который выражается в смене лидирующего технологического принципа. У экономической системы просто нет другого выбора для выживания! Принимая 100%-ную вероятность осуществления этого события, зададимся вопросом: что может быть изменено в технологии получения чугуна - главного полуфабриката для производства стали?
Согласно основам физической химии гетерогенных процессов для максимизации скорости взаимодействия железной руды и углеродистого восстановителя оба компонента должны находиться в тонкодисперсном состоянии. Более того, углерод должен обладать максимально возможной реакционной способностью. При обеспечении этих условий технология не требует использования кислородного дутья. Однако современная металлургия чугуна построена с точностью до наоборот! Доменное производство работает на кусковом, низкореакционном коксе. Добытая железная руда сначала измельчается до десятых долей миллиметра с целью обогащения, а затем опять окусковывается довольно энергозатратными методами. Далее предпринимается целый ряд технологических ухищрений (в первую очередь, использование технического кислорода), чтобы осуществить химическое взаимодействие этих субстанций - низкореакционного кускового кокса и специально окускованной руды. Самое поразительное заключается в том, что вся описанная последовательность операций с позиций современной науки не имеет ни экономического, ни технологического обоснования.
Беспрецедентная продолжительность мирового господства коксодоменной технологии обусловлена целым ря-
дом исторически сложившихся условий. Почти до 1980-х годов мировая экономика развивалась сравнительно умеренными темпами с сохранением относительно стабильных цен на энергоресурсы и металлы. К этому времени были вложены колоссальные средства в добычу коксующихся углей и железной руды, в производство кокса и железорудного концентрата, а также в логистические системы, обеспечивающие международную торговлю металлургическим сырьем. До 90% мирового производства стали обеспечивалось за счет коксодоменной технологии. В этих условиях практически отсутствовали побудительные мотивы для смены технологического принципа производств чугуна. Кстати, аналогичную историю имеет и паровая машина: несмотря на то, что ее КПД не превышал 5%, более двух веков никто не хотел и думать о ее замене.
С конца 20-го века началось экстенсивное наращивание производственных мощностей и в добыче сырья, и в металлургии, спровоцированное ускоренным развитием экономики Китая, которая начиная с 1970 г. почти в 10 раз увеличила производство и потребление стали (всего лишь при двукратном увеличении во всем мире). Замедление темпа роста китайской экономики в последние годы привело к избытку производственных мощностей в мировой металлургии (от 20 до 25%). И в этих условиях обострились экономические последствия долговременного использования коксодоменной парадигмы, поскольку рынок настойчиво требует радикального снижения себестоимости чугуна, которое она не в состоянии обеспечить.
Как уже отмечалось выше, с позиции современной металлургической науки технология столь почтенного возраста весьма далека от совершенства. Перечислим только основные, лежащие на поверхности избыточные затраты в традиционной технологии производства чугуна. На этапе подготовки железной руды это, безусловно, окускование мелкодисперсного концентрата. Значительных затрат требует производство кокса, которое, кстати, возглавляет официальный список производств первой категории опасности. Сырьем для него является самый дорогой концентрат углей коксующихся марок, который, как правило, добывается самым дорогим и опасным подземным способом. В стабильных экономических условиях затраты на кокс составляют чуть ли не половину себестоимости производства чугуна. Чтобы выделить технический кислород из воздуха необходимо использовать значительное количество электроэнергии, которое производится за счет сжигания натурального топлива с КПД не более 35%. Все перечисленные затраты на производство чугуна с по-
зиции современной физико-химической науки просто бессмысленны! И здесь скрывается огромный потенциал для радикального снижения его себестоимости.
ПРОИЗВОДСТВО УГЛЕРОДИСТОГО ВОССТАНОВИТЕЛЯ
И ГАЗОВОГО ТОПЛИВА ИЗ БУРОГО УГЛЯ
Идеальным восстановителем железной руды является газовая смесь, состоящая из водорода и оксида углерода (СО + Н2), которую можно получить путем конверсии природного газа. К сожалению, для подавляющего большинства стран это решение неприемлемо из-за высокой цены газового топлива. Такой же восстановительный газ можно получить путем газификации угля, однако технико-экономические показатели этого передела не обеспечивают явного преимущества перед коксодоменной технологией. Поэтому до настоящего времени наиболее предпочтительным восстановителем железной руды остается твердый углеродистый материал.
Объективно для черной металлургии необходим углеродистый восстановитель, который обладает следующими основными свойствами: высокая реакционность; большая удельная поверхность; дешевизна. Сформулированным выше требованиям в полной мере отвечает среднетем-пературныйкокс (термококс), который производится из бурого угля в виде мелкозернистого материала (0-3 мм) с содержанием фиксированного углерода на рабочую массу не менее 85%. Термококс имеет в 20 раз более высокую реакционную способность по сравнению с классическим коксом и примерно в 20-40 раз дешевле его.
Оптимальным сырьем для производства термококса являются дешевые бурые угли Канско-Ачинского бассейна с низким содержанием золы, серы и фосфора. Промышленные запасы, доступные к добыче самым безопасным открытым способом, исчисляются миллиардами тонн. Уникальные горно-геологические условия обеспечивают беспрецедентно низкую себестоимость добываемого угля, на порядок отличающуюся от себестоимости концентрата коксующихся углей.
Технология производства термококса основана на частичной газификации энергетическихуглей с высоким содержанием летучих веществ [1]. Процесс осуществляется в типовых энергетических котлах, подвергнутых специальной модификации, в результате которой нижняя часть топки работает в режиме газификатора с кипящим слоем, а в верхней части сжигается газовое топливо, образовавшееся из угля. Вместо золы из котла выводится углеродистый остаток частичной газификации угля. При этом модифицированный котел сохраняет паспортную тепловую мощность.
Технологические показатели
В качестве примера приведем характеристики термококса, изготовленного из бурого угля Березовского месторождения (табл. 1).
Интересно отметить, что минеральная часть термококса из канско-ачинских углей содержит около 50% окиси кальция, то есть флюса, необходимого для технологии производства чугуна.
Историческая справка. -
Первая доменная печь на каменноугольном коксе была построена еще в 1709 г. Однако на промышленный уровень использования коксодоменная технология производства чугуна вышла во времена Промышленной революции в Европе. В это же время широкое распространение получили заводы по производству кокса и смолы (прародители современных коксохимических заводов). Именно внедрение коксодоменной технологии обеспечило резкое увеличение производства дешевого чугуна и вместе с паровой машиной в конечном итоге привело к Промышленному перевороту в Европе. В тот период времени полностью отсутствовали какие-либо научные представления о химическом механизме взаимодействия руды и кокса, поэтому разработка технологии велась методом проб и ошибок. В современном виде коксодоменный процесс оформился примерно в конце 19-го века.
Таблица 1
Основные физико-химические свойства термококса
W, = 1-5% Sd < 0,2% Qr = 6700-7200 ккал/кг t d '
A, = 8-9% d P. ~ 0,003% d Реакционность по СО2 = 8,0 см3/ г-с
Vd= 7-8% p = 500 кг/м3 HGI = 68,5 daj ' насып.
Cd = 90-94% daj Удельное электросопротивление - 1,37-103 Ом-см
Кокс с высокой реакционностью и высоким электросопротивлением необходим для электрометаллургии и в первую очередь для ферросплавного производства. Однако в силу исторической традиции эта отрасль работает преимущественно на кусковом сырье. Поэтому для достижения компромисса с действующей технологией мелкозернистый термококс необходимо окусковать. К настоящему времени уже накоплен достаточный опыт изготовления брикетов из термококса с высокой холодной и горячей прочностью, продолжается совершенствование качества продукции путем тестирования опытно-промышленных партий брикетов на заводах по производству ферросплавов и поликристаллического кремния. Для последнего приложения обеспечивается пониженное содержание железа в брикете за счет предварительной магнитной сепарации термококса.
Однако в полной мере потенциал мелкозернистого термококса как высокоэффективного углеродистого восстановителя может быть реализован только в технологии прямого восстановления железной руды (РИ). К сожалению, сегодня в распоряжении металлургов еще нет надежного и сравнительно дешевого оборудования для промышленного использования этой технологии. И главная причина такого положения заключается в том, что в течение длительного времени экономика позволяла металлургам оставаться удовлетворенными коксодоменной технологией.
Экономические показатели
При параллельном производстве термококса и тепловой энергии удельные капитальные затраты в расчете на 1 МДж суммарно производимой продукции существенно меньше, а экономическая эффективность производства в несколько раз выше, чем в любых проектах классической теплоэнергетики, в том числе с когенерацией. Так, например, при переработке 4,5 т бурого угля (Q¡r = 3800 ккал/кг) производится 1 т кокса с тепловым эквивалентом 7 Гкал и не менее 8 Гкал горячей воды или пара. Фактически продажа тепловой энергии компенсирует все операционные затраты производства, так что можно считать, что себестоимость термококса определяется только стоимостью сырьевой составляющей - немногим более 2 т бурого угля на 1 т кокса. В текущих ценах (май 2017 г.) это примерно 1000-1200 руб./т термококса, то есть около 20 дол. США/т. В результате срок окупаемости инвестиций в модификацию котельного цеха действующей ТЭЦ составляет не более двух лет.
Для сравнения: в зависимости от конъюнктуры мирового рынка в течение последних десяти лет цены на доменный и металлургический кокс колебались в интервале примерно от 200 до 450 дол. США/т (рис. 1).
Цена в USD/t 635
535
435
335
235
135
35
I I
26.04.07 16.01.09
08.10.10
21.09.12
30.05.17
Рис. 1. Динамика мировых цен на металлургический и доменный кокс:
— кокс металлургический (среднемесячные цены), экспорт из КНР, FOB, дол. США/т;
— кокс металлургический и доменный (+40), производители РФ, FCA железнодорожная станция отгрузки, дол. США/т;
— кокс металлургический второй категории, производители Китая (внутренние цены), дол. США/т
Экологические показатели
При частичной газификации угля в котле сжигается газовое топливо с незначительной примесью бездымного топлива - пылевидного термококса, выносимого из кипящего слоя. Это обеспечивает радикальное снижение контролируемых выбросов в атмосферу (пыль, оксид углерода, оксиды азота и др.) по сравнению с традиционными угольными котлами. Технология, по сути, не имеет золошлаковых отходов, поскольку содержащаяся в угле зола капсулируется в коксовом продукте. Соответственно исключается необходимость создания и содержания огромных золошлаковых отвалов при угольной ТЭЦ.
Как следствие, экологические показатели котельного агрегата на угольном топливе приближаются к соответствующим показателям котла на газовом топливе. Поскольку продукты сгорания относятся на производство тепловой энергии, второй продукт - термококс производится с нулевыми выбросами в окружающую среду. Это беспрецедентная характеристика технологии производства углеродистого восстановителя, не имеющая аналогов в мировой коксовой промышленности.
КОНЦЕПЦИЯ МЕТАЛЛУРГИИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
НА БАЗЕ БУРОГО УГЛЯ
В течение последнего десятилетия в развитии базовых отраслей промышленности сформировались две новые тенденции: мини-производства и сетевой принцип их взаимодействия в рамках кластерной схемы, которые являются предметом взрывного количества публикаций и международных конференций.
Одно из перспективных направлений в развитии современной металлургии - это сооружение малых металлургических комплексов модульного типа, которые относятся к классу мини- и даже микрозаводов и ожидается, что в ближайшем будущем они займут почти половину россий-
ского рынка, сравнявшись по этому показателю с ведущими индустриальными странами.
На новом этапе развития энергетика также отдает предпочтение территориально распределенным источникам энергии малой мощности, объединенным в локальные энергосистемы по принципу Интернета [2].
С этих позиций современное металлургическое производство необходимо интегрировать с производством тепловой энергии в рамках территориально распределенного кластера [3], элементами которого являются энергометаллургические микрокомплексы (производительность - не более 100 тыс. т продукции в год). Такая схема обладает целым рядом преимуществ, которые в совокупности обеспечивают существенное повышение экономических показателей и радикальное снижение воздействия на окружающую среду.
Принципиальная схема энергометаллургического микрокомплекса выглядит следующим образом (рис. 2).
На предприятие поступают только два вида сырья -бурый уголь и мелкозернистый железорудный концентрат. В рамках общего технологического процесса осуществляется безотходная частичная газификация бурого угля: полученный термококс используется в качестве углеродистого восстановителя, а газ - одновременно в качестве восстановителя и топлива для металлургической печи. Отходящие газы дожигаются в котле-утилизаторе для производства тепловой энергии. Если принять, что газовые выбросы относятся на производство тепловой (электрической) энергии, то очевидно, что собственно чугун производится с нулевыми выбросами в окружающую среду. Таким образом,
данная технология представляет собой безэмисионную металлургию чугуна, то есть технологию класса zero emission. По существу, это пример металлургической технологии нового поколения, в полной мере отвечающей экологическим и экономическим вызовам нашего времени.
Различные технологические варианты использования термококса и восстановительного газа из угля были успешно апробированы на лабораторном уровне с целью получения передельного чугуна из железорудного концентрата Ковдорского ГОКа (АО МХК «Еврохим»).
Рассмотрим предпроектную оценку экономической эффективности энергометаллургического микрокомплекса (табл. 2).
Как следует из табл. 2, удельные затраты на углеродистый восстановитель и отопление печи составляют примерно 820 руб./т чугуна (~ 14-15 дол. США/т), то есть немногим более 13% от себестоимости. В доменном производстве на эту статью затрат приходится около 50%. Кроме того, необходимой является еще одна существенная статья - затраты электричества на производство кислорода. Как следует из табл. 2, в новой технологии прямая себестоимость производства чугуна существенно снижена и составляет порядка 100 дол. США/т. Сопоставим это значение с текущими ценами на передельный чугун (рис. 3).
Однако в данном случае мы имеем дело с энергометаллургическим комплексом, который производит еще один продукт - тепловую энергию. Для демонстрационного расчета примем исключительно низкий тариф - 500 руб./ Гкал. Тогда за счет продажи тепла расчетная себестоимость чугуна снизится до 3874 руб./т (примерно до 70 дол. США/т!). Естественно, что региональные тарифы на отпуск тепловой энергии значительно превышают принятое выше значение, поэтому фа ктически й эффект от п ро-дажи тепла будет более мощным.
Безусловно, необходимо принять во внимание, что приведенные выше данные (см. табл. 2) являются пред-проектной оценкой, однако даже с учетом погрешности этого класса расчетов полученный результат является прорывным достижением.
II
воз лук I ЖРК
термококс
прямое восстановлен не
п
газы
чугун
V
вода
пар
Рис. 2. Безэмиссионная металлургия чугуна на базе технологии ТЕРМОКОКСf
Таблица 2
Примерная структура себестоимости производства чугуна на основе бурого угля
Затраты (без НДС) Количество на 1 т чугуна Руб./т чугуна %
Концентрат железорудный, т 1,55 3526 57,6
Бурый уголь на частичную газификацию, т 1,9 820 13,4
Шихтовые материалы, т 0,28 298 4,9
Электроэнергия, кВт-ч 185 262 4,3
Общепроизводственные расходы 143 2,3
ФОТ - 299 4,9
Амортизационные отчисления - 633 10,3
Прочие и неучтенные расходы - 143 2,3
Себестоимость чугуна - 6124 100
Продажа тепловой энергии, Гкал 4,5 2250 -
Себестоимость чугуна с учетом отпуска тепла - 3874
Цена в USD/t 380 360 340 320 300 280 260 240 220
200
30.05.16
.. . .т . 08.10.16 10.12.16
04.08.16
Рис. 3. Динамика мировых цен на передельный чугун
25.02.17
10.05.17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, новая концепция черной металлургии обеспечивает качественный отрыв от классического коксодоменного производства как по экономическим, так и по экологическим показателям.
Дорожная карта
реализации новой технологии
Внедрение принципиально новой технологии на действующем металлургическом комплексе практически нереально из-за категорического консерватизма ведущих специалистов по отношению к радикальным инновациям. Этому же препятствует оптимизированная под традиционную технологию структура производства.
Идеальную платформу для развития металлургии нового поколения имеют компании АО «СУЭК» и АО МХК «Ев-рохим». У первой из них - незагруженные мощности по добыче бурого угля в Канско-Ачинском бассейне, вторая производит более 6 млн т в год железорудного концентрата и продает его сторонним потребителям. Объединение их ресурсов (7,5 млн т в год бурого угля плюс 6 млн т в год железорудного концентрата) способно обеспечить консолидированную прибыль порядка 50 млрд руб. в год (с учетом более чем двукратного увеличения добычи на Березовском угольном разрезе).
В качестве первого этапа необходимо разработать технологический регламент совмещенного производства чугуна и тепловой энергии на основе частичной газификации бурого угля и не менее двух лет потратить на отработку конструкции энергометаллургического модуля, который в последующем можно будет использовать как типовой единичный агрегат для создания микр-комплексов произвольной мощности.
Параллельно следует выполнить разработку ТЭО структуры энергометаллургического кластера с географической привязкой к потребителям тепловой энергии, а также с логистикой доставки сырья и сбыта продукции.
Следующим этапом являются проектирование и строительство первого микро-комплекса по производству чугуна и тепловой энергии, его запуск в эксплуатацию и наработ-
ка минимально необходимого опыта промышленного использования с возможной корректировкой элементов проекта.
Далее начинается последовательное формирование кластера путем строительства составляющих его объектов. При этом в силу модульного принципа структура кластера остается открытой, то есть количество энергометаллургических комплексов, входящих в его состав, не ограничивается какими-либо условиями.
Список литературы
1. Исламов С.Р. Энерготехнологическое использование угля Канско-Ачинского бассейна // Теплоэнергетика. 2013. № 11. С. 12-16.
2. Рифкин Дж. Третья промышленная революция: как горизонтальные взаимодействия меняют энергетику, экономику и мир в целом. М.: Альпина нон-фикшн, 2014. 410 с.
3. Исламов С.Р. Переработка бурого угля по схеме энерготехнологического кластера // Уголь. 2009. №3. С. 69-71. URL: http://www.ugolinfo.ru/Free/032009.pdf (дата обращения: 13.06.2017).
COAL MARKET
UDC 662.765:622.332:669.1 © S.R. Islamov, 2017 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2017, № 7, pp. 17-21
Title
brown coal as the basis of ferrous metallurgy of new generation
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2017-7-17-21
Author
Islamov S.R.1
1 "SibNIIugleobogashenie", LLC, Krasnoyarsk, 660060, Russian Federation Authors' Information
Islamov S.R., Doctor of Engineering Sciences, Head of Krasnoyarsk Branch of Institute for Coal Enrichment, e-mail: IslamovSR@suek.ru
Abstract
The paper discusses the concept of creation of ferrous metallurgy of new generation, which provides radical reduction of production costs and a high level of environmental safety. Unique economic and environmental performance is achieved due to the technology of partial gasification of brown coal, as well as the parallel production of thermal energy.
Keywords
The economy of ferrous metallurgy, Partial gasification of coal, Brown coal, Direct reduction iron.
References
1. Islamov S.R. Energotekhnologicheskoe ispol'zovanie uglya Kansko-Achinskogo basseyna [Kansko-Achinsky basin coal power engineering use]. Teploenergetika - Thermal Energy, 2013, no. 11, pp. 12-16.
2. Rifkin J. Tret'ya promyshlennaya revolyutsiya: Kak gorizontal'nye vzaimodeystviya menyayut ehnergetiku, ehkonomiku i mir v tselom [The third industrial revolution. How lateral power is transforming energy, the economy and the world]. Moscow, Alpina Nonfiction Publ., 2014, 410 p.
3. Islamov S.R. Pererabotka burogo uglya po skheme ehnergotekhno-logicheskogo klastera [Processing of brown coal]. Ugol' - Russian Coal Journal, 2009, no. 3, pp. 69-71. Available at: http://www.ugolinfo.ru/Free/032009. pdf (accessed 13.06.2017).
