CC BY
165
Управление качеством, переработка
и комплексное использование минерального сырья
© С.Г. Степанов, Д.А. Логинов, В.Н. Кочетков, 2015
УДК 622.78:662.74
С.Г. Степанов, Д.А. Логинов, В.Н. Кочетков
ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОГАЩЕНИЕ УГЛЯ КАК ИНСТРУМЕНТ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УГОЛЬНОГО БИЗНЕСА
Проблема вовлечения в коммерческий оборот низкосортных углей и отходов углеобогащения является хрестоматийной задачей угольной промышленности, для которой до настоящего времени не найдено эффективного решения. В работе рассмотрены два характерных представителя — бурый уголь и отсев обогащения угля марки Д. При этом основное внимание уделено новому концептуальному подходу к решению задачи повышения сортности топлив такого класса. Этот подход опирается на технологию карбонизации углей с высоким выходом летучих веществ и последующее приготовление смесевых топлив на основе высококалорийного средне-температурного кокса (термококса).
Ключевые слова: уголь, обогащение угля, карбонизация угля, кокс.
Вектор развития угольной промышленности должен опираться на тренды развития топливоёмких отраслей — энергетики, металлургии, ЖКХ. С этих позиций рассмотрим, какие же тренды в энергетике, ЖКХ и металлургии будут влиять на развитие угольной отрасли, какая продукция им потребуется, и отталкиваясь от этого — какие технологии нужны угольщикам.
На вектор развития угольной промышленности окажут влияние две технологии, внедряемые в металлургии:
- использование пылеугольного топлива для прямого вдувания в домны (технология PCI — pulverized coal injection). Она даёт снижение потребления доменного кокса до 50%;
- новые недоменные процессы прямого восстановления железа (технологии DRI — direct reduced iron). Для них кусковой
7
кокс вообще не нужен. Там используются ПГ, генераторный газ или порошкообразные углеродистые восстановители. Последнее направление самое новое и наиболее экономически эффективное.
Для технологии PCI требуется высококалорийное (более 6500 ккал/кг) топливо с пониженным содержанием вредных примесей. Это, как правило, низкозольные угли Т и СС. Но их запасы невелики. Сейчас они широко используются для обжига руд, цементного клинкера, спекания глинозема, заметная часть идет на экспорт. На сегодняшний день на рынке уже существует дефицит таких углей, в то же время, угледобывающие компании имеют избыточные мощности по добыче бурого угля, а поставщики каменного марок Д и ДГ ежегодно производят миллионы тонн невостребованных отсевов. Они для PCI в рядовом виде не годятся, надо увеличить калорийность. Термическое обогащение угля — удаление влаги и летучих с одновременным снижением зольности — успешно решает эту задачу.
Для DRI-технологии требуется высокореакционный углеродистый восстановитель с высоким содержанием углерода и низким — примесей. Идеальный восстановитель — древесный уголь, но он дорог (порядка 20 тыс. руб./т) и его мало. Близкий по качеству древесному углю восстановитель получают при термообработке низкозольных бурых и молодых каменных (марка Д) углей, а также торфа. Буроугольный термококс пр-ва СУЭК был протестирован в Kobe Steel, Япония — они сегодня лидируют в технологиях DRI — и получил очень высокую оценку.
Использованию угля в энергетике, промышленности и ЖКХ препятствует повышенный экологический ущерб при сжигании угля по сравнению с природным газом. Увеличение доли угля в топливно-энергетическом балансе страны, как это декларируется «Энергетической стратегией России на период до 2030 года», может быть обеспечено только широким применением «чистых» энергетических технологий, обеспечивающих пониженную эмиссию вредных веществ. Использование таких технологий предъявляет повышенные требования к качеству угольной продукции. Этот тренд диктует, что «критическими» для угольной промышленности являются технологии обогащения угля, производства топлив с заданными свойствами, в том
8
числе смесевых, топливных брикетов и «бездымных» топлив для коммунально-бытового сектора и т.п.
В русле тренда комплексного развития эффективным инструментом модернизации российской экономики должны стать энерготехнологические кластеры, производящие угольную продукцию с высокой добавленной стоимостью, и одновременно тепловую и электрическую энергию для прилегающих территорий. Такая система полигенерации обеспечивает увеличение стоимостной отдачи 1 тонны угля и снижение тарифов на тепло и электроэнергию. С этих позиций технология термического обогащения углей методом их частичной газификации в котельных агрегатах является именно таким комплексным решением.
Главным отрицательным свойством бурого угля является высокая влажность, поэтому самым популярный способ его обогащения это — сушка с последующим брикетированием. Не отрицая эффективности этой технологии, тем не менее, следует отметить ее недостатки. Повышенная пирофорность брикетов из сушеного бурого угля, а также высокая взрывоопас-ность сопутствующей крошки и пыли, резко сокращают радиус транспортировки такого топлива и ограничивают рынок его сбыта. Однако самое важное — это решение не дает значимого повышения потребительской стоимости нового продукта. Совершенно очевидно, что для перехода в класс более высокосортного топлива, кроме влаги, необходимо существенно снизить и содержание летучих веществ. Такой продукт при умеренной зольности уже может рассматриваться как аналог более дорогих углей марки СС и Т, а также использоваться в качестве специализированного технологического топлива. Перед ним открываются более обширные сегменты угольного рынка, чем для брикетированного бурого угля.
Глубокая термическая переработка бурого угля, заключающаяся в удалении влаги и значительной части летучих веществ (до уровня У^ = 5-10%), обеспечивается путем его частичной газификации (карбонизации) в кипящем слое. Для этой цели используется типовой котел для сжигания твердого топлива, подвергнутый специальной реконструкции [1]. В энерготехнологическом режиме эксплуатации в топочном объеме сгорает преимущественно газовое топливо с низкой концентрацией
9
угольных частиц, а вместо золошлаковых отходов из котла выводится высококалорийный карбонизат. При этом котел сохраняет свою паспортную тепловую мощность, а теплота сгорания твердого продукта — термококса практически вдвое превышает калорийность исходного угля. Перед подачей в котел рядовой уголь обычно дробится до размера < 15-20 мм, а конечный продукт за счет термодробления и истирания в кипящем слое измельчается до фракции 0-5 мм. Для примера сопоставим основные характеристики исходного бурого угля Березовского месторождения и полученного из него термококса:
Характеристики % Adгy, % ^ % Qгi, ккал/кг
Бурый уголь 35 5-7 46-48 3700
Термококс 0,5-1,5 8-10 8-10 Около 7000
Буроугольный кокс отличается исключительно высокой реакционной способностью, поэтому по теплотехническим характеристикам его нельзя сопоставлять с натуральными углями, опираясь только на результаты технического анализа и, прежде всего, на содержание летучих веществ. При формальном соответствии по уровню У^ классу тощих углей, термококс имеет теплотехнические свойства углей класса СС. Его высокая калорийность и сокращенный период выделения теплоты сгорания обусловливают достижение более высокой температуры горения в действующих топочных устройствах — до 2000-2200 °С при подогреве дутьевого воздуха до 300 °С. Эта специфическая особенность буроугольного кокса позволяет считать его высокоэффективным топливом для сжигания в горне доменной печи (технология PCI), что было убедительно доказано промышленными испытаниями на Западно-Сибирском металлургическом комбинате в 70-х годах.
В брикетированном виде термококс является высокоэффективным заменителем классического кокса в целом ряде электрометаллургических технологий. Однако целью настоящей работы является обсуждение возможности использования этого продукта в качестве высококалорийного компонента смесевых топлив энергетического назначения.
Несколько слов следует уделить экономической оценке производства термококса. Так для березовского бурого угля тепло-
10
вой баланс энерготехнологического котла выглядит следующим образом. Подача угля в котел увеличивается примерно в два раза. При этом сжигание летучих веществ и пылевого уноса из кипящего слоя обеспечивает паспортную производительность котла по горячей воде или пару. Чуть более половины тепловой энергии, содержащейся в исходном угле (55%), превращается в теплоту сгорания кокса. Таким образом, с учетом того, что реализация основного продукта — тепловой энергии полностью компенсирует все операционные затраты производства, себестоимость термококса не превышает стоимости двух тонн исходного бурого угля.
Аппараты с кипящим слоем достаточно давно применяют для сепарации зернистых материалов и, в частности, для обогащения углей, содержащих пустую породу в виде механической примеси. Этот же эффект имеет место и при термической переработке в кипящем слое обогащаемого угля или отсева обогащения. Таким образом, в одном аппарате совмещаются два технологических процесса — карбонизации и удаления пустой породы, что значительно повышает экономическую эффективность переработки угля.
В качестве конкретного примера приведем результаты, полученные при карбонизации в кипящем слое бурого угля 2Б (Монгольская Республика), который допускает гравитационное обогащение:
Характеристики % Л4гу, % % Qгi, ккал/кг
Бурый уголь 36,5 12,6 44 3550
Термококс 1,3 12,7 9,6 6680
Согласно балансовым расчетам при получении карбонизата с остаточным содержанием летучих на уровне 10% его зольность должна составлять примерно 19%. Однако при переработке в кипящем слое за счет обогащения зольность термококса снизилась до уровня исходного угля и это позволило обеспечить его высокую калорийность.
Значительный интерес представляет термическая переработка отсева обогащения длиннопламенного угля. Известно, что проблема эффективного использования такого рода отходов является достаточно острой для подавляющего большинства обогатительных фабрик. Ниже приведены результаты терми-
11
ческой переработки с одновременным обогащением отсева длиннопламенного угля Черногорского месторождения:
Характеристики Wtг, % Айгу, % Vм, % Qгi, ккал/кг
Отсев ДСШ (0-13 мм) 14 23 40 4080
Термококс 0,4 12,2 4,4 6990
В этом случае также получен высококалорийный продукт, для которого открываются совершенно новые сферы использования. Безусловно по этой же технологии можно перерабатывать и рядовые угли марок Д, ДГ.
Многие зарубежные страны уже достаточно далеко продвинулись в области производства стандартизированных твердых топлив для самых различных приложений. Речь идет о приготовлении смесевых топлив с заранее заданными теплотехническими характеристиками. К сожалению, в России это направление пока не получило должного развития. Хотя, по нашему мнению, только с помощью этой технологии возможно радикальное расширение сферы использования низкосортных углей.
Предлагаемый нами подход основан на использовании в качестве базового компонента смесевого топлива высококалорийного термококса, полученного в результате карбонизации низкосортных топлив в кипящем слое. Его теплота сгорания может варьироваться в пределах от 6000 до 7000 ккал/кг в зависимости от зольности. В качестве второго компонента может быть использован даже рядовой бурый уголь. Интересно отметить, что при этом за счет высокой сорбционной активности термококса происходит выравнивание влажности смесевого топлива. Впервые на этот эффект обратил внимание проф. М.Б. Школлер, который и предложил идею приготовления смесевого топлива на основе буроугольного кокса [2].
В качестве примера приведем характеристику топлива, полученного путем смешения 60% термококса и 40% рядового бурого угля. В частности, оно рекомендуется для сжигания в печах обжига цементного клинкера.
Характеристики % Айгу, % Vdaf, % Qгi, ккал/кг
Бурый уголь 33-35 6-7 48 3600-3750
Термококс 0,5-2 12 8-10 6700-7000
Смесевое топливо 13-15 8-10 17-20 5700-5800
12
Отдельной задачей является транспортировка смесевого топлива, имея в виду его сравнительно мелкий гранулометрический состав, пониженную насыпную плотность и умеренную влажность. С учетом этих условий желательно транспортировать и хранить его в закрытом виде. В схемах внутризаводского транспортирования предпочтителен пневмотранспорт, а также закрытые спиральные конвейеры, исключающие необходимость использования аспирационных устройств.
Наиболее простым и экономичным решением является использование полимерных мягких контейнеров, которые можно перевозить как автомобильным транспортом, так в открытых полувагонах. В настоящее время изготавливаются мягкие специализированные контейнеры (марка МКР-СПВ), в виде вкладыша в полувагон. После загрузки сыпучего материала он герметично закрывается верхним клапаном.
И, наконец, традиционное решение проблемы — это брикетирование смеси. Безусловно, дополнительная операция приведет к увеличению себестоимости продукта, однако, тем не менее, экономическая эффективность производства высококалорийного смесевого топлива останется на достаточно высоком уровне, значительно превышающем эффективность классической схемы брикетирования бурого угля.
- ШИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Логинов Д.А., Исламов С.Р. Развитие технологии комбинированного использования угля в котлах с кипящим слоем // Промышленная энергетика. — 2011. — № 4. — С. 12-14.
2. Патент РФ № 320700 РФ. Способ получения пылеугольного топлива и установка для осуществления способа / М.Б. Школлер, С.Г. Степанов, С.Р. Исламов (РФ). — Заявлено 22.01.2007; Опубл. 27.03.2008, Бюл. 9.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Степанов Сергей Григорьевич — д-р техн. наук, генеральный директор, ООО «ЭТК «Термококс», Красноярск, e-mail: stepanovsg@termokoks.ru Логинов Дмитрий Александрович — канд. техн. наук, главный инженер, ООО «ЭТК «Термококс», Красноярск, e-mail: loginovda@termokoks.ru Кочетков Валерий Николаевич — канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, Институт угля СО РАН, Кемерово, e-mail: kvn08@mail.ru
13
A
UDC 622.78:662.74
THERMAL COAL PREPARATION AS A TOOL TO IMPROVE THE EFFECTIVENESS OF COAL BUSINESS
Stepanov Sergey G., Doctor of Engineering Sciences, General Director, Termokoks Energotechnological Company LLC, Krasnoyarsk, e-mail: stepanovsg@termokoks.ru
Loginov Dmitriy A., Candidate of Engineering Sciences, Chief Engineer Termokoks Energotechnological Company LLC, Krasnoyarsk, e-mail: loginovda@termokoks.ru Kochetkov Valeriy N., Candidate of Engineering Sciences, Leading Researcher, Institute of Coal SB RAS, Kemerovo, e-mail: kvn08@mail.ru
Use in the economy of low-grade coal has no effective solutions up to the present time. The article considers two coals — lignite and screenings of subbituminous coal. The focus is on the new concept of solving the problem of upgrade such coals. This concept is based on technology carbonization of coals with high volatile content and the subsequent preparation of the mixed fuel on the basis of high-calorific medium temperature coke (thermocoke).
Key words: coal, coal preparation, coal carbonization, coke.
References
1. Loginov D.A., Islamov S.R. Industrial energy, 2011, no. 4, pp. 12-14.
2. Patent 320700 RF, published 2008.03.27.
14
