CC BY
32
УДК 622.121:658.562.64:622.33(680) © Ф.Ю. Шариков, А.П. Суслов, В.Ю. Бажин, И.И. Белоглазов, 2019
Комплексная оценка энергетических углей месторождения Waterberg Coalfield (ЮАР) как основа для принятия решения по их рациональному использованию
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-5-96-100
ШАРИКОВ Феликс Юрьевич
Канд. хим. наук,
доцент кафедры автоматизации технологических процессов и производств Санкт-Петербургского горного университета, 199106, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: felix101t@mail.ru
СУСЛОВ Анатолий Павлович
Канд. техн. наук, проректор по эксплуатации имущественного комплекса Санкт-Петербургского горного университета, 199106, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: suslov@spmi.ru
БАЖИН Владимир Юрьевич
Доктор техн. наук,
декан факультета
переработки минерального сырья
Санкт-Петербургского горного университета,
199106, г. Санкт-Петербург, Россия,
тел.: +7 (812) 328-82-12,
e-mail: bazhin-alfoil@mail.ru
БЕЛОГЛАЗОВ Илья Ильич
Канд. техн. наук,
доцент кафедры автоматизации технологических процессов и производств Санкт-Петербургского горного университета, 199106, г. Санкт-Петербург, Россия, e-mail: beloglazov_ii@pers.spmi.ru
Проведено исследование ряда представительных образцов угля из месторождения Waterberg Coalfield (провинция Лимпопо, ЮАР) и сделан прогноз для детальной выработки стратегии рационального и экономически обоснованного использования запасов данного месторождения. Проведен общий и расширенный химический анализ проб, определена их теплотворная способность с использованием современных инструментальных методов термического анализа, калориметрии, элементного анализа. Показана принципиальная возможность переработки залежей с содержанием золы более 50% в синтез-газ и жидкие и твердые про-
дукты при условии проведения процесса обогащения. Сделан экономический анализ целесообразности организации производства из угля данного месторождения синтез-газа и других продуктов с высокой добавленной стоимостью на его основе (метанол, диметиловый эфир, жидкое моторное топливо), востребованных на локальном рынке ЮАР и на мировом рынке.
Ключевые слова: общий и расширенный анализ углей, термический анализ, газификация углей, прогноз на переработку, глубокая переработка.
ВВЕДЕНИЕ
Уголь - один из главных источников получения тепловой и электрической энергии, а также ценное сырье для глубокой химической переработки с целью получения необходимых для промышленности продуктов. Большая часть добываемого в мире угля традиционно используется для энергетических целей, однако задача повышения эффективности использования углей, в том числе высокозольных и низкокалорийных, является весьма актуальной [1, 2, 3]. Методология комплексной оценки альтернативных вариантов переработки различных видов угля, основанная на их тестировании с последующим математическим моделированием технологических цепочек, позволяет оперативно выявить наиболее эффективные из них [4, 5, 6].
В настоящее время известно более 350 ценных продуктов различных наименований, которые могут быть получены из угля и далее использованы в промышленности и сельском хозяйстве. Фракционный состав и свойства перерабатываемых углей являются определяющими при их использовании в коксохимической промышленности, при получении синтетических жидких топлив, различных углеродных материалов и других химических соединений [7]. В связи с этим огромное значение приобретают проблема анализа качества углей различных марок и разработка рациональных методов оценки их пригодности для дальнейшей промышленной переработки.
Для обеспечения промышленности углями соответствующего качества последние обычно подвергают предварительной механической переработке - обогащению - для частичного удаления из угля минеральных примесей и последующей классификации по крупности либо брикетированию мелких фракций.
В рациональную схему переработки конкретного угля должны входить не только полное использование всех компонентов органической массы угля, но и грамотная
Таблица 1
Общая гранулометрическая характеристика проб угольных материалов месторождения waterberg Coalfield (ЮАР)
Номер образца Индекс пробы по штрих-коду Внешний вид образцов Глубина залегания, м
1 120975 Дробленый угольный материал в виде дисперсного порошка без кусков 1,5
2 99275 Дробленый угольный материал в виде порошка и кусков 1-10 мм 2,5
3 120977 Дробленый угольный материал в виде кусков разной крупности 0,1-30 мм 3,5
4 44 Кусок угля размером 80-120 мм (в срезе) 3,5
5 55 Цилиндрический образец керна диаметром 60 мм и толщиной 30 мм 1,5
утилизация минеральных компонентов золы, которая может содержать в том числе редкие и рассеянные элементы (всего в составе углей насчитывается более 70 ценных химических элементов, входящих в состав различных соединений [8]). Важным практическим вопросом является также извлечение из угля сульфидов железа (FeS2, FeS), используемых в качестве сырья для получения серы при производстве серной кислоты [9, 10].
В углях также содержатся ценные компоненты, пригодные для использования в сельском хозяйстве. Эффективными стимуляторами роста растений являются микроэлементы - молибден, цинк, марганец, медь и другие, а щелочные золы - весьма полезные добавки для кислых почв, повышают урожайность бобовых и других сельскохозяйственных культур.
ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
ПО УГОЛЬНОМУ МЕСТОРОЖДЕНИЮ
Участок расположен на севере ЮАР, вблизи границы с Ботсваной. Геологоразведочные работы на угольном месторождении Waterberg Coalfield (провинция Лимпопо, ЮАР) были выполнены в период 2008-2011 гг., анализ и обработку результатов проводили различные компании. В 2013 г. консалтинговой компанией SRK Consulting (Австралия) было подготовлено технико-экономическое обоснование проекта («Waterberg Coal Project Feasibility Study»). Запасы высокой степени разведанности (расстояние между разведочными скважинами менее 350 м) составляют 2,543 млрд т каменного угля, из них 2,289 млрд т были отнесены к промышленным запасам (MTIS - Mineable Tonnes in Situ), по данным компании SRK Consulting. Угленосная толща содержит 18 угольных пластов мощностью от 1,56 до 9,51 м, зольностью от 28,74 до 74,43% (средняя - 61,35%) и теплотворной способностью от 4,04 до 21,73 МДж/кг (средняя - 9,28 МДж/кг). Глубина залегания верхнего пласта на участке составляет от 9 до 90 м. Участок обладает необходимой инфраструктурой и планируется к разработке открытым способом. Для комплексной оценки качества и характеристик угольного месторождения Waterberg Coalfield было отобрано пять представительных образцов. В отчетных материалах южно-африканской стороны эти угли охарактеризованы как низкокачественные битуминозные.
ХАРАКТЕРИСТИКА ОБРАЗЦОВ УГОЛЬНОГО
МАТЕРИАЛА
Общая гранулометрическая характеристика проб угольных материалов месторождения Waterberg Coalfield (ЮАР) представлена в табл. 1.
На рис. 1 представлен общий вид кернов угольного материала.
Образец № 1
Образец № 2
Образец № 3
Образец № 4
Образец № 5
Рис. 1. Керны угольного материала с указанием точных мест отбора проб для исследования
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ
Общий и технический анализ. Для определения фракционного состава образцов угольного материала был использован метод ТГ-ДСК [11, 12, 13], термоанализатор Labsys EVO (SETARAM Instrumentation).
Для определения общей влаги, летучих компонентов и нелетучего углерода эксперименты проводили в динамической атмосфере азота особой чистоты (расход газа -20 мл-мин-1), а определение теплоты сгорания и количества зольного остатка проводили в окислительной статической атмосфере. Использовали скорости нагрева 10°С и 3°С в минуту, навески вещества составляли 3,5-5 мг. Для каждого типа условий при термоаналитических экспериментах образец тестировали не менее двух раз.
Теплотворную способность определяли с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии (термоанализатор Labsys EVO и калориметр DSC-131 EVO (SETARAM Instrumentation)) и бомбовой калориметрии, калориметр IKA C 200 (IKA Calorimeters). При наличии стандартного образца угольного материала, используемого в качестве внешнего стандарта, метод ДСК позволяет получать надежные результаты по величинам тепловых эффектов окисления, что соответствует низшей теплоте сгорания данного образца, определенной в соответствии с общепризнанными стандартами ASTM D5865-04, ГОСТ 147-2013, ISO 1928:2009.
Все использованное оборудование соответствует стандарту ISO 9001:2008 и сертифицировано как средство измерений на территории Российской Федерации.
Пробоподготовка для общего и технического анализа. Все пробы угольного материала (см. рис. 1) были приведены в близкое по гранулометрическому составу порошкообразное состояние [11]. Образец № 1, представленный изначально в виде дисперсного порошка, усредняли по составу при отборе и далее анализировали без дополнительной подготовки. Образец № 2 отбирали в виде порошка и кусков из разных мест пакета, измельчали в ступке с усреднением состава до состояния, как у пробы № 1. Образец № 3 отбирали в виде кусков разной крупности, измельчали с усреднением пробы до состояния, как у пробы № 1. Образец № 4 - откалывали мелкие куски разного размера, измельчали с усреднением пробы до состояния, как у пробы № 1. Образец № 5 - отбирали мелкие куски разного размера, измельчали с усреднением пробы до состояния, как у пробы № 1.
Элементный состав. Для проведения элементного анализа угольного материала в соответствии со стандартами
ISO-10694, E, D-1552, D-4239, D-5016, D-1619, DIN EN 13137, PN-93 G-04514/17 был использован анализатор ELTRA CS-580 (ELTRA) с электронным регулятором потока.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Термоаналитическое исследование образцов угольного материала. Образцы угольного материала (см. табл. 1), приведенные к одинаковому гранулометрическому состоянию, были исследованы с использованием метода синхронного термического анализа ТГ-ДСК. Сначала была проведена серия экспериментов в окислительной атмосфере для определения температурных интервалов и тепловых эффектов окисления, а также оценки общей влажности, содержания горючей фракции и величины зольного остатка. Затем была проведена серия экспериментов в инертной атмосфере для уточнения содержания общей влаги, а также определения количества летучих компонентов и нелетучего углерода в горючей фракции.
Экспериментальные результаты представлены в табл. 2,3 и на рис. 2,3.
В первую очередь, следует отметить высокую либо очень высокую зольность всех исследованных образцов, а также
Таблица 2
Результаты общего анализа проб угольных материалов
Номер образца Влажность, Летучие компоненты, Нелетучий углерод, Зола, Сера,
и индекс пробы мас. % мас. % мас. % мас. % мас. %
1 _120975 1,2 25,5 18,5 54,8 -
2 _99273 0,6 19,3 14,5 65,6 -
3_120977 0,7 16,9 12,4 70,0
4 44 2,0 45,9 16,2 35,9 2,12
Среднее значение по пробам 1, 2, 3, 4 1,15 26,88 15,4 56,57 -
5 _55 <0,2 - - 83,3 -
Керн породы с глубины 2,5 м
Таблица 3
Результаты определения теплотворной способности проб угольных материалов
Теплотворная Теплотворная Теплотворная Содержание золы,
Номер образца способность, кДж/кг, способность, кДж/кг, способность, ккал/кг, мас. %,
на общую массу на горючую массу на горючую массу на общую массу
1 7280 ± 80 16550± 170 3950±40 54,8 ± 0,2
2 4150± 50 12300±130 2940 ± 30 65,6 ± 0,2
3 3420 ± 50 11700±120 2800 ± 30 70,0 ± 0,2
4 11080 ±120 17850±180 4260 ± 40 35,9 ± 0,2
Среднее значение 6480 14600 3500 56,57
по пробам 1, 2, 3, 4
5 2550± 30 16250± 170 3880 ± 40 83,3 ± 0,2
1J5
::-
Е н Ян щ
Температура, С
Рис. 2. Потеря веса (в % от начального значения) как функция Т (°С) при окислении на воздухе для образцов №№ 1,2,3,4,5 (см. табл. 1) в условиях линейного нагрева (в = 10°С/мин)
Рис. 3. Скорость тепловыделения как функция Т(°С) при окислении на воздухе для образцов №№ 1, 2, 3, 4, 5 (см. табл. 1, в расчете на общую массу образца) в условиях линейного нагрева (в = 10°С/мин). Значения тепловых эффектов - см. табл. 3
наличие генетической связи между ними. Строго говоря, по параметру зольности только образец № 4 мог бы найти ограниченное применение без его обогащения, причем не всегда в качестве энергетического угля. Другие однозначно нуждаются в обогащении перед применением. Далее следует отметить относительно высокую долю летучих компонентов, особенно для того же образца № 4, а также высокую окисляемость угольного материала, что особенно наглядно демонстрирует образец № 5 (керн породы вблизи границы угольного пласта). Другие образцы с высокой степенью вероятности уже подверглись окислению, так как поступили на исследование в измельченном виде. Это дополнительно подтверждается весьма невысокими величинами их теплотворной способности (см. табл. 3).
ВЫВОДЫ
Таким образом, при сравнении результатов исследования отобранных проб угольного материала в Горном университете с отчетными данными, предоставленными южно-африканской стороной по данному месторождению, можно сделать следующие выводы:
- в среднем определенная нами теплотворная способность для четырех образцов в расчете на горючую массу в 1,5-1,6 раза ниже заявленного южно-африканской стороной среднего показателя (22,47 МДж/кг) для данного месторождения, и даже лучшая по этому параметру проба (№ 4) ему не соответствует;
- очень высокий показатель зольности для проб (№№ 1, 2, 3) в сочетании с относительно высокой долей летучих компонентов позволяет отнести эти пробы к углистым породам (сланцам). Только лучшая из представленных проб (№ 4) может быть классифицирована как высокозольный битуминозный каменный уголь по совокупности показателей качества;
- имеет место значительный разброс базовых параметров качества угольного материала от пробы к пробе при адекватной воспроизводимости анализов внутри каждой пробы; проба № 4 существенно отличается в лучшую сторону по сравнению с остальными, но даже она не соответствует параметрам для энергетических каменных углей по теплотворной способности, зольности и количеству летучих компонентов;
- все образцы (особенно № 1 и № 5) показали склонность к низкотемпературному окислению в твердой фазе с закономерным увеличением массы и выделением тепла в температурном интервале 140-330°С (для экспериментов в режиме линейного нагрева), что неизбежно приводит к существенному уменьшению теплотворной способности добытых партий угольного материала при длительном хранении на открытом воздухе или несоблюдении условий хранения, особенно в условиях жаркого и влажного климата.
Значительный разброс базовых параметров качества представленных угольных материалов делает весьма затруднительными подбор оптимальной технологической схемы их рациональной переработки и проведение точной экономической оценки такого возможного проекта.
Предварительная экономическая оценка применимости технологии газификации к исследуемым углям месторождения Waterberg Coalfield (провинция Лимпопо, ЮАР) для использования в процессе получения синтез-газа и других попутных продуктов показала, что рассчитанные
значения себестоимости продуктов (метанола и синтетического топлива) с учетом предварительного флотационного обогащения находятся существенно ниже порога рентабельности [14]. Для проведения такой оценки был использован подход, подробно изложенный в работе [1] и основанный на моделировании технологических цепочек газификации угля и последующих трансформаций с использованием программного пакета для моделирования технологических процессов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенной работы была выработана и опробована методология принятия решения по выбору оптимальной стратегии освоения новых угольных месторождений с использованием технологий глубокой переработки каменного угля в продукты с высокой добавленной стоимостью. Данная методология включает комплексное исследование представительной выборки образцов угольных материалов на современном аналитическом оборудовании в объеме, необходимом для принятия обоснованного решения, и проведение экономической оценки реализации выбранной технологии переработки угля конкретного месторождения на основе его газификации с последующим получением товарных продуктов (метанол, ди-метиловый эфир, синтетическое моторное топливо). Такая оценка основана на результатах моделирования альтернативных технологических схем переработки с использованием специализированных программных средств.
При проведении аналитического исследования было выявлено существенное расхождение полученных результатов с ранее предоставленными данными по углям того же месторождения от компании Sekoko Coal. В частности, по теплотворной способности горючей части образцов и содержанию летучих компонентов они находятся на нижнем пределе для переработки угля путем его газификации. Качественный состав представленных образцов угля, особенно по содержанию золы (в среднем по всем образцам - более 50%) и серы (более 2%), значительно уступает товарным российским углям.
Для возможной реализации процесса газификации с использованием существующего на данный момент оборудования необходимо проводить стадию флотационного обогащения для снижения содержания золы в угле до уровня не более 10%, что неизбежно приведет к увеличению его себестоимости минимум на 30-40%. Следовательно, прямая переработка углей месторождения Waterberg Coalfield для получения синтез-газа или использование его в качестве топлива на тепловых станциях в настоящее время нерентабельны.
Список литературы
1. Litvinenko V., Mayer B. Syngas Production: Status and Potential for Implementation in Russian industry // Springer. 2018. 161 p.
2. Higman C., Tam S. Advances in Coal Gasification, Hydrogenation, and Gas Treating for the Production of Chemicals and Fuels // Chem. Rev. 2014. Vol. 114. Рр. 1673-1708.
3. Xu J., Yang Y., Li Y.W. Recent development in converting coal to clean fuels in China // Fuel. 2015. Vol. 152. Рр. 122-130.
4. Kuskov V.B., Kuskova Ya.V. Research of physical and mechanical properties of briquettes, concentrated from
9. Telyakov N.M., Darin A.A., Luganov V.A. Perspektivy prim-eneniya biotekhnologij v metallurgii i obogashchenii // Za-piski Gornogo Instituta. 2016. Vol. 217. Pp. 113.
10. Darin A.A., Telyakov N.M., Processing of ferromanganese concretions with the use of sulfatising roasting // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017. Vol. 5. № 12. Pp. 11131115.
11. ASTM D3172 Standard Practice for Proximate Analysis of Coal and Coke // Ann. Book of ASTM Stand., Vol. 14.04. ASTM. West Conshohocken, PA.
12. John W. Cumming, Joseph McLaughlin. The thermo-gravimetric behavior of coal // Thermochimica Acta. 1982. Vol. 57. Pp. 253-272.
13. Paul Baur. Thermogravimetry speeds up proximate analysis of coal // Power. 1983. March. Pp. 91-93.
14. Romanova N.A., Leontiev V.S., Khrekin A.S. Production of Commercial Naphthalene by Coal-Tar Processing // Coke and Chemistry. 2018. Vol. 61. N 11. Pp. 453-456.
COAL QUALITY
UDC 622.121:658.562.64:622.33(680) © F.Yu. Sharikov, A.P. Suslov, V.Yu. Bazhin, I.I. Beloglazov, 2019 ISSN 0041-5790 (Print) • ISSN 2412-8333 (Online) • Ugol' - Russian Coal Journal, 2019, № 5, pp. 96-100
Title
COMPREHENSIVE ASSESSMENT OF POwER COALS OF THE wATERBERG COALFIELD DEPOSIT (SOUTH AFRICA) AS A BASIS FOR MAKING DECISIONS ON THEIR RATIONAL USE
DOI: http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2019-5-96-100
Authors
Sharikov F.Yu.1, Suslov A.P.1, Bazhin V.Yu.1, Beloglazov I.I.1
1 St. Petersburg Mining University, 199106, St. Petersburg, Russian Federation
Authors' Information
Sharikov F.Yu., PhD (Chemistry), Associate Professor of the Department of Automation of Technological Processes and Production, e-mail: felix101t@mail.ru
Suslov A.P., PhD (Engineering), Vice-Rector for operation of the property complex, e-mail: suslov@spmi.ru
Bazhin V.Yu., PhD (Engineering), Dean of the Faculty of Mineral Raw Material Processing, tel.: +7 (812) 328-82-12, e-mail: bazhin-alfoil@mail.ru Beloglazov I.I., PhD (Engineering), Associate Professor of the Department of Automation of Technological Processes and Production, e-mail: beloglazov_ii@pers.spmi.ru
Abstract
A study of a number of representative samples of coal from the Waterberg Coalfield deposit (Limpopo Province, South Africa) was conducted and a forecast was made for a detailed strategy for the rational and economically reasonable use of the reserves of this deposit. A general and advanced chemical analysis of samples was carried out, their calorific value was determined using modern instrumental methods of thermal analysis, calorimetry, elemental analysis. The possibility of processing deposits with an ash content of more than 50% into synthesis gas and liquid and solid products, provided the enrichment process is shown. An economic analysis of the feasibility of organizing the production of coal from this field of synthesis gas and other high value-added products based on it (methanol, dimethyl ether, liquid motor fuel), which are in demand in the local market of South Africa and in the world market, was made.
Keywords
General and advanced coal analysis, Thermal analysis, Coal gasification, Processing forecast, Deep processing.
References
1. Litvinenko V., Mayer B. Syngas Production: Status and Potential for Implementation in Russian industry. Springer, 2018, 161 p.
loose high-grade iron ores / 17th International multidis-ciplinary scientific geoconference SGEM 2017. Vol. 17. Pp. 1011-1015.
5. Vasilyeva N.V., Fedorova E.R. Statistical methods of evaluating quality of technological process control of trends of main parameters dependence // Journal of Physics: Conference Series 2018. Vol. 1118.
6. Effect of Tungsten on Precious Metal Extraction During Processing of Radio-Electronic Scrap / T.A. Aleksandrova, N.M. Telyakov, A.N. Telyakov, D.V. Gorlenkov // Metallurgist. 2017. Vol. 61. Issue 3-4. Pp. 188-192.
7. Bazhin V.Y., Beloglazov I.I., Feshchenko R.Y. Deep conversion and metal content of Russian coals // Eurasian Mining. 2016. № 2. Pp. 28-32.
8. Alekseenko V.A., Pashkevich M.A., Alekseenko A.V., Metallisation and environmental management of mining site soils // Geochemical Explor. 2017. Vol. 174. Pp. 121-127.
2. Higman C. & Tam S. Advances in Coal Gasification, Hydrogenation, and Gas Treating for the Production of Chemicals and Fuels. Chem. Rev., 2014, Vol. 114, pp. 1673-1708.
3. Xu J., Yang Y. & Li Y.W. Recent development in converting coal to clean fuels in China. Fuel, 2015, Vol. 152, pp. 122-130.
4. Kuskov V.B. & Kuskova Ya.V. Research of physical and mechanical properties of briquettes, concentrated from loose high-grade iron ores. 17th International multidisciplinary scientific geoconference SGEM 2017, Vol. 17, pp. 1011-1015.
5. Vasilyeva N.V. & Fedorova E.R. Statistical methods of evaluating quality of technological process control of trends of main parameters dependence. Journal of Physics: Conference Series, 2018, Vol. 1118.
6. Aleksandrova T.A. , Telyakov N.M. , Telyakov A.N. & Gorlenkov D.V. Effect of Tungsten on Precious Metal Extraction During Processing of Radio-Electronic Scrap. Metallurgist, 2017, Vol. 61, Issue 3-4, pp. 188-192.
7. Bazhin V.Y., Beloglazov I.I. & Feshchenko R.Y. Deep conversion and metal content of Russian coals. Eurasian Mining, 2016, No. 2, pp. 28-32.
8. Alekseenko V.A., Pashkevich M.A. & Alekseenko A.V., Metallisation and environmental management of mining site soils. Geochemical Explor. 2017, Vol. 174, pp. 121-127.
9. Telyakov N.M., Darin A.A. & Luganov V.A. Perspektivy primeneniya bi-otekhnologij v metallurgii i obogashchenii. Zapiski Gornogo Instituta, 2016, Vol. 217, pp. 113.
10. Darin A.A. & Telyakov N.M., Processing of ferromanganese concretions with the use of sulfatising roasting. Journal of Engineering and Applied Sciences, 2017, Vol. 5, No. 12, pp. 1113-1115.
11. ASTM D3172 Standard Practice for Proximate Analysis of Coal and Coke. Ann. Book of ASTM Stand., Vol. 14.04. ASTM. West Conshohocken, PA.
12. John W. Cumming & Joseph McLaughlin. The thermogravimetric behavior of coal. Thermochimica Acta, 1982, Vol. 57, pp. 253-272.
13. Paul Baur. Thermogravimetry speeds up proximate analysis of coal. Power, 1983, March, pp. 91-93.
14. Romanova N.A., Leontiev V.S. & Khrekin A.S. Production of Commercial Naphthalene by Coal-Tar Processing. Coke and Chemistry, 2018, Vol. 61, No. 11, pp. 453-456.
