Роль коксующегося угля и каменноугольного кокса в современной энергетике и металлургии

volmettrading.com

Уголь – один из важнейших видов ископаемого топлива, на базе которого столетия назад и была создана индустриальная промышленность. Как и все виды сложных химических соединений, он подразделяется на различные виды, типы и классификации, прежде всего, по своим теплотворным способностям. Особую ценность представляет здесь антрацит, но и коксующиеся угли играют важную роль в металлургии и энергетике.

Что такое коксующийся уголь и что такое кокс?

Внесём необходимую ясность в используемые определения, так как авторы многих публикаций не считают нужным различать между собой понятия «коксующегося угля» и «кокса». И совершенно напрасно. Ведь разница между двумя этими видами топлива на протяжении двух с лишним веков не давала промышленникам шансов должным образом организовать металлургическую индустрию – становой хребет экономики. 

Коксующийся уголь

Среди различных сортов угля особо выделяется коксующийся (или металлургический), пригодный для производства качественного кокса. Доля его в общем количестве добываемого каменного угля составляет 10-20%. 
В отличие от энергетического угля (низкокалорийный, предназначен для сжигания в топках котлов энергетических установок), коксовый (высококалорийный) содержит в своём составе витрен. Это вещество, спекающее (склеивающее) под воздействием высокой температуры мельчайшие частицы угля в единую массу. Чем выше его содержание в коксующемся угле, тем более качественным получается конечный продукт – кокс. 

Кокс

Каменноугольный кокс – это итоговый результат процесса коксования каменного угля. Обычно он представляет собой серую массу, состоящую из отдельных твёрдых, пористых элементов, по форме напоминающих камни некрупного размера. Коксование (переработка топлива во время нагрева без доступа воздуха) необходимого сорта угля выполняется в условиях:

• высоких температур 950°-1100° С;
• отсутствия доступа кислорода;
• продолжительности процесса на протяжении 14-18 часов. 

Применение в металлургии

Своему появлению на свет каменноугольный кокс обязан именно металлургии, где он впоследствии по праву занял место основного (нередко и единственного) вида топлива. 
История относит нас к XVI-XVIII векам, когда, в связи с вырубкой лесных массивов, металлурги вынуждены были перейти на сжигание каменного угля, предназначенного для плавления в доменных печах. Однако все их попытки были безуспешными до тех пор, пока английский промышленник-металлург Абрахам Дарби I в XVIII веке не догадался создать и применять для этих целей каменноугольный кокс. В 1735 году его сыну Абрахаму Дарби II удалось выплавить металл в домне с помощью каменноугольного кокса.

Процесс коксования

С тех пор кокс стал одним из основных компонентов в технологиях выплавки стали и чугуна. Производят его в коксовых печах (размер – 12-15 x 4-6 x 0,5 м), объединяемых с целью сокращения тепловых потерь по 40-70 штук в коксовые батареи. 

Процесс производства следующий:

1. Подготовка сырья, включающая в себя очистку каменного или битуминозного угля от примесей и древесины.
2. Сушка при температуре в 100°-120°С.
3. Нагрев угольной массы до 300°-350°С.
4. Размягчение и плавление под воздействием температуры в 350°-500° С.
5. Образование полукокса путём затвердевания расплава при температуре в 500°-600°С.
6. Прокаливание на протяжении нескольких часов в условиях температуры в 600°-1100°С. Итогом становится удаление летучих компонентов и превращение аморфного углерода в кристаллический графит. 

Процессы перекристаллизации и спекания повышают твёрдость конечного продукта по сравнению с первоначальным сырьём в 30-40 раз. 

Роль каменноугольного кокса в металлургическом производстве

Благодаря своим уникальным качествам каменноугольный кокс находит широкое применение в металлургии. Здесь он незаменим, так как практически идеально подходит под существующие технологии. А всё потому, что в сравнении с углём (фактически его прародителем) он более чист, обладает наибольшей теплотворной способностью и горит при более высокой температуре – 1600°С (уголь горит при 900°-1100° С). 

Кокс активно используется на различных стадиях литейного, доменного, кузнечного, электродного производства, а именно в:

• выплавке чугуна;
• обогащении шихты;
• восстановлении железной руды;
• литейном производстве в качестве ваграночного топлива. 

Помимо этого, кокс применяется для науглероживания в процессе выполнения инновационной технологии по пылеугольному вдуванию топлива.

Мировое производство каменноугольного кокса (на 60-70% сосредоточено в Китае) достигает порядка 550-650 млн т в год. В 2016 году на выплавку 1 628 млн т стали было израсходовано 800 млн т кокса. А для производства одной тонны чугуна его обычно требуется ориентировочно 0,4 т.  

Влияние каменноугольного кокса на качество продуктов металлургии

Сегодня говорить о каком-либо качестве металлургической продукции без повсеместного применения каменноугольного кокса просто не приходится. Ведь именно с его помощью в печи выполняются наиболее важные функции:

• генерация процессов горения (для плавления и восстановления железорудных материалов);
• формирование газопроницаемых структур;
• создание в нижней части печи прочной и одновременно проницаемой для расплавленных материалов структуры – коксовой насадки, выступающей в роли единственной твёрдой и пористой конструкции. Она поддерживает весь столб шихты в условиях температуры в 2000 °С. 

Вопрос настолько сложный, огромный по своим масштабам, важный, и многогранный, что ещё в 1930-е годы в нашей стране был организован Восточный научно-исследовательский углехимический институт (ВУХИН). На основе его технических заданий и проектов введена в эксплуатацию значительная часть коксохимических предприятий России, Казахстана, Ирана, Индии и Китая. Отметим, что одним из наиболее своеобразных результатов работы множества научно-исследовательских центров стало уменьшение расходования кокса на протяжении последних 50 лет в доменном производстве. Это всё-таки свидетельствует об обеспечении здесь наиболее эффективных условий его применения.

В энергетике

В энергетической отрасли ситуация несколько иная по сравнению с металлургией.

Использование коксующегося угля на электростанциях

Здесь коксующийся уголь, наряду с другими сортами угля и иными углеводородами, используется в качестве топлива. Его сжигают в топках для того, чтобы произвести пар, энергия которого заставляет вращаться турбину. Турбина приводит в движение генератор, вырабатывающий электрический ток. Также в дроблёном виде в котельных или в быту для организации отопления находит применение производимый из коксующегося угля кокс. 

Эффективность и экономичность этого источника энергии

Экономическая целесообразность применения коксующегося угля в сфере энергетики обусловлена значительной эффективностью горения, сравнительно невысокой стоимостью и широким повсеместным распространением. Кроме того, этот вид топлива способен длительное время поддерживать топочный процесс, тем самым обеспечивая стабильность работы электрических станций, что очень важно в условиях генерации электрической энергии. 

Экологические аспекты

Однако на деле всё не так хорошо и просто, как может показаться на первый взгляд.
Воздействие процессов производства и сжигания на окружающую среду
Всё дело в том, что добыча, переработка коксующегося угля в кокс и сжигание того и другого оказывают вредное воздействие на природу и человека. Угольная промышленность относится к одному из наиболее опасных видов деятельности. Она проявляет себя негативным образом в виде:

• сопровождающих угледобычу метановых выбросов;
• загрязнения атмосферы при сжигании угольного топлива (сюда относятся и любые виды угля, и получаемые из них продукты, процесс выработки которых также не обходится без вредных воздействий на окружающую среду);
• угольной пыли, которая сильно загрязняет атмосферу, почву и водоёмы;
• кислотных дождей;
• разрушения природного ландшафта и почвы;
• горных обвалов пород;
• складирования и накопления токсичных отходов, представляющих опасность для окружающей местности. 

И это далеко не полный перечень возникающих здесь проблем, дополнить который можно подземными пожарами, радиационными выбросами и нанесением непоправимого вреда здоровью как непосредственно работникам угольной, металлургической, энергетической и ряда других отраслей, так и жителям близлежащих регионов. 

Меры по снижению негативного воздействия

Они основаны в первую очередь на общемировом стремлении уйти от использования этого ископаемого ресурса и производимых из него продуктов, выступающих в роли очень важного вида топлива для мировой экономики. Однако это не особо получается из-за дешевизны угля. Именно с помощью него производится порядка 40% электроэнергии в мире. А ведущие в данной области деятельности державы – Россия, Индия и Китай – активным образом наращивают свои объёмы и мощности. 

Во вторую очередь необходимо рассматривать множество современных технологий, актуализированных к уменьшению потерь угольной массы при разработке и транспортировке, переработке и хранению, а также во время топливного и металлургического применения. Дополнением могут служить разнообразные системы локализации вредностей, улавливания выбрасываемых угольными электростанциями дымовых газов. Однако, по утверждению Международного энергетического агентства, применение здесь актуальных к настоящему моменту времени «зелёных» технологий не обеспечивает экологичности угольных ТЭС.

Перспективы использования

Перспективы использования всех задействованных в цепочке продуктов (коксующегося угля, кокса, полукокса и ряда побочных продуктов) пока что лежат в плоскостях энергетики и металлургии, но с оговоркой на всё более инновационные методы и технологии. Но не только процессы сжигания представляют здесь интерес. Из коксующегося угля можно получать в промышленных масштабах свинец, цинк, молибден, германий, серу, галлий и множество иных химических элементов. В последнее время наблюдается всё активное использование вышеназванных продуктов в химической промышленности, освоившей побочный продукт коксования – коксовый газ (альтернатива природному газу, бензолу и каменноугольной смоле). 

Альтернативные источники энергии и их конкуренция

Вопрос можно рассматривать двояко. Во-первых, на арену мирового энергетического рынка выходят альтернативные (возобновляемые) источники энергии. Во-вторых, нельзя сбрасывать со счетов традиционные (невозобновляемые) источники энергии, куда относится сам коксующийся уголь и его производные. Именно здесь в последние годы наблюдается зарождение и становление нового тренда, направленного на внедрение принципиально нового оборудования. Оно нацелено на выработку из угля синтетических топлив, достаточно чистых в экологическом отношении. Именно такого курса стараются придерживаться официальные органы Российской Федерации. 

Исследования и инновации в области добычи коксующихся углей и в деле производства каменноугольного кокса

В 2017 году Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии опубликовало «Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям» в области добычи и обогащения угля, где в качестве наилучших фигурируют 40 технологий, направленных на:

• улучшение организационного характера;
• минимизацию негативного воздействия на окружающую среду;
• минимизацию воздействия отходов;
• уменьшение текущих расходов;
• освоение побочных продуктов.

Что касается коксования углей, то здесь можно отметить публикацию сотрудника Тувинского института комплексного освоения природных ресурсов СО РАН (Кызыл, Россия) М. П. Куликовой. Она провела сравнительный анализ российских и иностранных методов и способов коксования углей и отдала предпочтение технологиям Geo-Coab из Индонезии, LiMax – из Китая, печам SJ – из Китая, технологии ТЕРМОКОКС-С – из РФ. Впрочем, более реально картина в условиях нашей страны вырисовывается следующим образом. В 2023 году компания СУЭК (крупнейший производитель угля в России) планирует инвестировать в свои фонды 1 млрд $. Часть направляемых средств из-за санкций будет направлена на приобретение высокопроизводительной техники в России, Белоруссии, Турции, ЮАР, Индии и Китае.  

Заключение

Роль коксующегося угля для ряда отраслей промышленности, в особенности металлургической, очевидна. Вот почему именно сюда, в восстанавливаемую после снятия коронавирусных ограничений сталелитейную отрасль Китая, направлены все силы. В Индии постепенно наращивающая собственные металлургические мощности. В России дело остаётся лишь за логистикой, использующей пока что в качестве для транспортировки угля северные порты и мощности РЖД. Всё это связано с дополнительными затратами, хотя и позволяет удерживать экспортную нишу восточного угольного рынка. Из-за ESG-перехода, нацеленного на повсеместное освоение возобновляемых энергоресурсов, в долгосрочной перспективе следует ожидать стагнации мирового производства угля. Это подтверждает и прогноз, сделанный Energy Information Energy (EIA) вплоть до 2050 года. Впрочем, пока затруднительно сказать, как именно данное обстоятельство отразится на коксующемся сорте угля.