Иллюзии и реалии глубокой переработки угля
Окончание. Начало на стр. 24
Китай на определенном этапе развития своей экономики сделал ставки на разные варианты достижения независимости от импортной нефти и нефтепродуктов, в том числе — на СЖТ из угля. На основе адаптированных импортных технологий было построено несколько заводов с суммарной мощностью по СЖТ около 8 млн т/год. На сегодняшний день в связи с переформатированием энергетической программы КНР нет никакой информации о намерениях активно развивать это направление.
Важно отметить, что даже на теоретико-экономическом уровне рентабельное производство СЖТ из угля начинается с масштаба 2-3 млн т/год, что влечет за собой инвестиционные затраты порядка многих сотен миллиардов рублей с очень отдаленным сроком окупаемости. В этой связи без предварительного рассмотрения можно сразу отклонять любые предложения по созданию мини-заводов для производства СЖТ из угля.
Что касается сырьевой базы для этой технологии, то единственным кандидатом (по цене и качеству) является бурый уголь Канско-Ачинского бассейна, добычу которого осуществляет АО «СУЭК». В свое время специалисты этой компании на основе результатов выездной сессии в ЮАР выполнили оценку экономики совместного предприятия с корпорацией SASOL. Итоговый вывод оказался резко отрицательным. Поэтому компания не принимает к рассмотрению каких-либо новых предложений на эту тему.
В России нет собственных технологических разработок в области производства СЖТ из угля, имеющих перспективу экономически целесообразного внедрения. Здесь надо сразу исключить из рассмотрения публикации о «пробирочных» опытах в лабораториях НИИ и университетов. Потому что на переход от этих результатов к промышленному производству в самом лучшем случае потребуется порядка 20 лет с неопределенным объемом инвестиций.
В качестве показательного примера можно привести проект по производству моторных топлив из гудрона (мощность завода — 2,7 млн т/год), который реализует компания ТАИФ-НК (Татарстан) на основе лицензии фирмы KBR (США). Подавляющая часть оборудования была изготовлена за границей, для исполнения проекта от стадии проектирования до пусконаладочных работ было привлечено большое количество специализированных зарубежных фирм, специалисты ТАИФ-НК изначально имеют высокий уровень квалификации в области нефтехимии, новый завод встроен в инфраструктуру действующего нефтехимического комбината. Несмотря на столь благоприятные исходные условия, проект, который стартовал в 2012 году, только сегодня приближается к завершающей стадии в части отладки технологического процесса.
С большой уверенностью можно констатировать, что в России нет угольных компаний, располагающих финансовыми ресурсами и компетенцией для реализации проекта по производству СЖТ стоимостью порядка 2-4 млрд долларов с очень отдаленным сроком окупаемости инвестиций.
По очевидным причинам эта тема не представляет интереса для компаний, входящих в нефтегазовый комплекс страны.
2. Газификация угля
Прежде всего необходимо принять к сведению, что газификация угля — технология незавершенного цикла, потому что она не предназначена для производства рыночного продукта. Газификация — это способ подготовки угольного топлива для использования в базовых индустриальных технологиях, которые можно разделить на два класса: химический синтез и энергетика. Кратко рассмотрим оба направления.
Производство синтез-газа для химической промышленности
В химической промышленности России в подавляющем большинстве случаев синтез-газ производится из природного газа. Основные определяющие факторы: сравнительно низкая цена сырья, наличие надежных технологий и оборудования большой единичной мощности, а также соответствующих катализаторов. В первую очередь это относится к производству метанола и аммиака. Спорадические инициативы по использованию угля для этих целей затухают на стадии экономической оценки.
Необходимо жестко констатировать, что в настоящее время в нашей стране нет оригинальных, глубоко проработанных технологий газификации угля, а также соответствующего оборудования промышленного уровня. Возможность импорта такого оборудования крайне ограниченна, а радикально возросшая стоимость, как правило, исключает целесообразность его использования в потенциальных проектах по переработке угля. Результаты лабораторных исследований в университетах, а также отдельные попытки скопировать конструкции известных зарубежных брендов вряд ли подлежат рассмотрению, поскольку авторы традиционно не принимают в расчет сроки и затраты, необходимые для выхода на уровень коммерческого производства. А самое главное — в стране невозможно найти потенциального инвестора для высокорискового проекта с очень отдаленным получением конечного результата.
Преимущество угля как сырья при ценовом соотношении с природным газом — в значительной мере кажущееся, поскольку сравнение необходимо делать не по стоимости исходного сырья, а по себестоимости производства синтез-газа того или иного назначения.
Газ из угля для энергетики
Технология внутрицикловой газификации угля в энергетике представляет интерес только под углом использования парогазового (бинарного) цикла, который позволяет значительно повысить КПД производства электроэнергии. Важное условие: газификатор должен работать под высоким давлением и предпочтительно на кислородном дутье, потому что компримирование Н2-содержащего газа — исключительно дорогостоящая операция, кроме того — не обеспеченная отечественным оборудованием большой мощности.
Необходимо отметить, что за рубежом внутрицикловая газификация угля не получила широкого распространения. Что касается России, то ведущие энергетические компании никогда не демонстрировали интереса к этой технологии.
Газификация угля при низком давлении для последующего сжигания газа в котле не имеет экономического смысла, поскольку реализует двухступенчатую схему сжигания с повышенными капитальными и операционными затратами.
В любых энергетических схемах природный газ имеет явное преимущество по сравнению с вариантом предварительной газификации угля, как по экономической эффективности, так и по степени готовности промышленного оборудования.
По совокупности приведенных причин в стратегических планах энергетических компаний России отсутствуют намерения строить парогазовые блоки на угольном топливе или использовать предварительную газификацию угля перед сжиганием.
ВЫВОД: Рассмотренные выше технологии не имеют перспективы реализации в России.
Парадоксальные технологии
Ярким представителем этого класса является декларируемое в популярных изданиях и СМИ производство водорода из угля.
В формулировке изначально присутствует элемент оксюморона: намерение производить водород из углеродного сырья, в котором это вещество практически отсутствует! Согласно элементному анализу, содержание водорода в углях энергетических марок не превышает 3-4%. Поэтому идея заключается в том, чтобы использовать углерод для восстановления водяного пара с последующей конверсией оксида углерода, сепарацией целевого продукта и утилизацией углекислого газа.
Для количественного доказательства абсурдности этой схемы рассмотрим итоговую брутто-реакцию технологии:
С + 2Н2О → СО2 + 2Н2
12 т + 36 т = 44 т + 4 т
Если учесть, что в типичном угле содержится не более 60% углерода, то путем газификации 20 тонн исходного угля можно получить примерно 4 тонны водорода с выбросом в атмосферу 44 тонн углекислого газа. С выбросом, потому что в мире не существует экономически целесообразных технологий утилизации СО2.
Данный факт вступает в резкое противоречие с постулатами «зеленой» экономики, которая рассматривает водород как один из инструментов перехода к «безуглеродному будущему». Поэтому в «зеленой» концепции подразумевается производство водорода на базе возобновляемых источников энергии, в худшем случае — путем конверсии природного газа. Согласно установившейся цветовой классификации водороду из угля присвоен черный цвет, который, по сути, является черной меткой для его потребителей.
Риторический вопрос: какова экономическая и экологическая эффективность такого производства?
На сегодняшний день нефте- и газохимические заводы полностью удовлетворяют свои потребности в водороде за счет его производства из собственного сырья непосредственно на месте использования.
На обозримую перспективу вряд ли можно прогнозировать формирование крупномасштабной структуры потребления водорода в России.
ВЫВОД: Производство водорода из угля не имеет оснований даже для предварительного рассмотрения.
Перспективные технологии глубокой переработки угля
1. Термическое обогащение энергетических углей
Перспектива развития угольной промышленности в Кузбассе, как и в других регионах России, самым жестким образом зависит от экспорта. В связи с перестройкой его общей структуры лимитирующим фактором оказалась пропускная способность железных дорог в восточном направлении. Сложившаяся ситуация выявила давно назревшие проблемы угольной отрасли. В свое время губернатор, а теперь министр энергетики России, Сергей Цивилев поставил очень точный диагноз: «… мы не заметили, как рынок стал премиальным». Долгосрочное игнорирование этого мирового тренда и привело к сегодняшнему состоянию угольного экспорта.
В экспортной корзине российских компаний преобладающую долю (без учета коксующихся углей) занимают энергетические угли пониженной ценовой категории (марка Д и ее производные), которые поставляются в самый высококонкурентный сегмент угольного рынка. Очевидно, что единственным решением для повышения доходности экспорта в условиях фиксированной пропускной способности, а также тарифного доминирования транспортных компаний является увеличение доли продукции премиального качества. Положительным фактором также является пониженный уровень конкуренции в этом сегменте ввиду ограниченного объема производства продукции такого класса.
Угольное топливо премиального качества востребовано в двух самых крупных сегментах угольного рынка.
Энергетика. Угольная энергетика в течение последних десятилетий активно трансформируется в направлении повышения параметров водяного пара (сверхкритические и суперсверхкритические параметры), а также снижения удельных выбросов углекислого газа. Сформировавшаяся концепция получила наименование HELE = high efficiency + low emissions. Достижение ее целей возможно только при использовании твердого топлива премиального качества: минимальное содержание золы, влаги и серы, низшая теплота сгорания — существенно выше 6 500 ккал/кг.
Металлургия. Эта отрасль промышленности потребляет порядка 1 млрд т/год высококачественного угля. На второй позиции после коксующихся углей находится топливо марки PCI (pulverized coal injection). Так, например, для Китая это порядка 100 млн т/год. Требования к качеству угля в данном приложении аналогичны требованиям в энергетике HELE. Металлургическое топливо прямого назначения, которое выполняет роль углеродного восстановителя в металлургических процессах (в первую очередь, в электрометаллургии), должно иметь повышенное содержание углерода и высокую реакционную способность.
Чаще всего указанные выше показатели качества невозможно обеспечить с помощью классических методов гравитационного обогащения. Технология сушки также не позволяет достичь требуемого уровня. Более того, сушеный уголь имеет повышенную склонность к возгоранию, а его пыль взрывоопасна. Кстати, поэтому он не принимается к морским перевозкам.
Таким образом, уголь необходимо подвергнуть более глубокой переработке, чтобы удалить не только влагу, но и значительную часть летучих веществ, которые имеют сравнительно невысокую теплотворность по сравнению с углеродом (теплота сгорания чистого углерода — около 7 800 ккал/кг). Для достижения цели необходимо использовать процессы термического обогащения угля [2].
На рис.1 представлена принципиальная схема термического обогащения на основе процессов частичной газификации угля, которая предполагает эффективное использование попутного газа и обеспечивает высокие экологические показатели.
Исключительно важно, что для разнообразных вариантов термического обогащения угля не требуется создания принципиально нового технологического оборудования. Для этой цели могут использоваться традиционные аппараты шахтного типа, незначительно модифицированные котельные агрегаты, типовые вращающиеся печи и другое.
2. Инновационный тренд в металлургии как новая сфера использования угля энергетических марок
В течение почти двух веков базисом черной металлургии является доменная технология. При этом производство доменного кокса находится на первых позициях в перечне экологически опасных технологий и использует в качестве сырья самые дорогие марки угля, что соответствующим образом влияет на себестоимость производства чугуна.
Поэтому вполне закономерно, что в последние десятилетия в мировой металлургии активно возрастает удельный вес технологии прямого восстановления железной руды. Интересно отметить, что на базе примитивного исполнения этой технологии и зародилась черная металлургия.
Сегодня в сегменте производства железа прямого восстановления лидирующее положение занимает технология Midrex. Для металлизации железорудных окатышей используется восстановительный газ, полученный путем конверсии природного газа. Далее полученный полуфабрикат перерабатывается в горячебрикетированное железо (ГБЖ). В альтернативных версиях прямого восстановления в качестве восстановительного агента используется уголь энергетических марок. В частности, этот вариант является преобладающим в металлургии Индии. Однако индийские заводы прямого восстановления имеют просто катастрофические экологические показатели.
Компания «Уголь-инжиниринг» разработала экологически безопасную технологию прямого восстановления железорудного концентрата на основе угля — «Термококс-Fe» [3]. Ее основу составляет безотходная переработка энергетического угля методом частичной газификации, которая обеспечивает металлургический процесс газовым топливом и высокореакционным углеродистым восстановителем по предельно низкой цене. Причем эти компоненты поступают в восстановительную печь в горячем виде, что повышает энергетическую эффективность технологии. Процесс прямого восстановления железорудного концентрата осуществляется во вращающейся печи барабанного типа. Железный порошок направляется на переплавку в чугунные чушки либо на производство горячебрикетированного железа (ГБЖ) или строительной арматуры. Выходящие из печи горячие газы с горючими компонентами дожигаются в котле-утилизаторе для производства тепловой энергии в виде пара или горячей воды. Таким образом все выбросы технологии относятся на производство энергетической продукции, а процесс получения чугуна не имеет никаких отходов. Нулевая эмиссия углекислого газа позволяет отнести «Термококс-Fe» к классу «зеленых» технологий.
Исключительно важно понимать, что синергетический эффект для производителя угля будет достигнут не путем продажи угля металлургической компании, использующей ту или иную версию прямого восстановления железной руды, а путем создания собственного металлургического дивизиона, поставляющего на рынок товарную продукцию в виде чугуна, ГБЖ или строительной арматуры.
Сергей Исламов,
доктор техн. наук, технический директор ООО «Уголь-инжиниринг» г. Красноярск, Россия,
e-mail: IslamovSR@suek.ru
- Список литературы
- 1. Исламов С.Р. Глубокая переработка угля // ж. Уголь. 2024, №6. С. 30-37.
- 2. Частичная газификация угля/ С.Р. Исламов. — 2-е изд., перераб. и доп. — Красноярск: ООО «Издательство Поликор», 2024. — 400 с.
- 3. Исламов С.Р. Бурый уголь как основа металлургии нового поколения // ж. Уголь. 2017. № 7. С. 15-19.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Технологии глубокой переработки угля, которые были успешно реализованы в прошлом веке, в других странах с другими параметрами структуры топливно-энергетического баланса, имеют отдаленное отношение к сегодняшней реальности в России.
2. В России нет промышленных технологий ожижения и газификации угля, а также соответствующего оборудования. Кроме того, отсутствует экономическая целесообразность реализации этих технологий.
3. Производителям угля, заинтересованным в увеличении добавленной стоимости продукции, рекомендуется оценить эффективность технологий термического обогащения угля в приложении к конкретным собственным условиям. Еще одна рекомендация — обратить внимание на создание комбинированных энерготехнологических производств, которые позволят выйти на более высокой уровень экономической эффективности по сравнению с тем, который достигается при продаже угля.