Международный проект Минобрнауки РФ со странами Африки:

Тема проекта: Разработка технологии пирогенетического коксования углей с получением коксов с улучшенными экологическими и эксплуатационными характеристиками.

Номер соглашения с Министерством науки и высшего образования РФ от 11 сентября 2024 г. № 075-15-2024-651

Исполнители проекта:

Индустриальный партнер проекта:

МКООО «ЭН+ХОЛДИНГ» - мировой лидер по производству низкоуглеродного алюминия и возобновляемой энергии.

Цель проекта:

Разработка инновационной технологии пирогенетического коксования углей с получением коксов с улучшенными экологическими и эксплуатационными характеристиками с учетом специфики угольной отрасли России и ЮАР.

Задачи проекта:

1.         Проведение анализа существующих технологий коксования углей разной степени метаморфизма, оценка границ и условий конкурентоспособности перспективной технологии пирогенетического коксования углей. Анализ рынка полукокса/кокса РФ и ЮАР;

2.         Формирование базы данных физико-химических свойств углей, которая будет использоваться как исходная информация для оценки возможных технологий глубокой переработки угля разной степени метаморфизма;

3.         Формирование банка данных о механизмах и кинетических закономерностях процессов коксования, формирования пластического состояния, образования газообразных и смолистых продуктов;

4.         Разработка научных и научно-технических основ для создания лабораторных стендов отдельных стадий и установки в целом непрерывной технологии пирогенетического коксования углей;

5.         Экспериментальное определение параметров процесса формирования пластической массы угля для дальнейшего использования в технологическом процессе;

6.         Экспериментальное определение параметров формования угольного брикета - время, продолжительность, давление пресс-формы;

7.         Экспериментальное определение оптимальных режимов спекания и прокаливания формованного угольного брикета и проведение испытаний готовой продукции;

8.         Разработка вычислительного аппарата для моделирование отдельных стадий и всего технологического процесса с целью определения оптимальных условий коксования, габаритов реакторов, выбора исходного угля и/или смеси углей;

9.         Взаимодействие с зарубежным партнером по вопросам современного состояния и перспектив использования чистых угольных технологий в России и ЮАР в контексте углероднейтральной энергетики.

  Результаты первого этапа исследований по проекту (сентябрь – декабрь 2024 гг):

1.         Проведен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов по теме проекта, который показал, что развитие угольных технологий является ключевой темой исследований для многих стран, где безусловным лидером является Китай. Несмотря на развитие технологий использования возобновляемых источников энергии уголь остается основным сырьем для химической промышленности и энергетики, а основной технологией его переработки является пиролиз.

2.         Выполнено патентное исследование по теме проекта. Проверка патентов показала, что на интересующей территории патентов с широкой правовой охраной отсутствуют патенты, препятствующие свободному проведению разработок в рассматриваемой области.

3.         Осуществлен анализ рынка полукокса/ кокса в России, который показал, что в результате санкций Китая относительно угольной продукции из Австралии и санкций США и ЕС относительно угольной продукции из России в мире резко возросли цены на кокс. В результате Китай (как крупнейший в потребитель кокса) увеличил импорт из России, что позволило России перенаправить часть ранее экспортируемой продукции из США и ЕС в Китай. При этом объем производства кокса и полукокса в России в 2023 г. составил 25,7 млн т, из них, как и в предыдущие годы, около 5% пошло на экспорт, остальной кокс использовался для производства чугуна и стали внутри страны. В 2023 г. доля России в мировом экспорте составила 3,7%, в мировом импорте – 0,2%. Выявленные тенденции на рынке кокса и полукокса повторяют ситуацию, сложившуюся в металлургической промышленности.

4.         В результате проведенных исследований составлена база физико-химических свойств представленных углей индустриальным и зарубежными партнерами. Определены основные характеристики (влажность, зольность, выход летучих, низшая теплота сгорания, доля связанного углерода) и элементный состав (углерод и сера). Также определена реакционная способность углей, которая связана с их степенью метаморфизма. Полученные данные в дальнейшем будут использованы в качестве исходной информации для математического моделирования и определения режимных параметров процесса коксования.

5.         В результате термогравиметрических исследований углей были установлены температурные интервалы разложения. Для основной стадии выхода летучих определены кинетические коэффициенты и получена зависимость предэкспоненциального множителя от энергии активации для углей разной крупности. Даная зависимость отражает количество реакционно-активных центров в зависимости от стадии метаморфизма и размеров частиц угля. Данные коэффициенты в дальнейшем используются для математического моделирования процесса коксования.

6.         Разработан эскизный проект лабораторного стенда коксования углей, по которому он будет смонтирован на следующем этапе исследований. Новизна предложенного технического решения, обеспечивающая его существенные преимущества перед известными российскими или зарубежными установками коксования слабоспекающихся углей, заключается в особой организации процесса, которая предполагает последовательное коксование угля в едином технологическом цикле с получением формованного кокса.

7.         Разработаны точечные и CFD модели основных стадий коксования углей, расчеты по которым показали, что повышение температуры в камере ускоряет достижение момента размягчения угольной массы. Другим важным фактором является выбор размера частицы необходимо увязывать не только с ожидаемым временем прогрева, но и с гидравлическим сопротивлением камеры. Мелкие частицы могут уноситься за слишком малое время, крупные частицы – оставаться в камере до полной карбонизации. Помимо этого, необходимо учитывать взаимодействие металла с пластифицированной массой (не допускать смачивания во избежание спекания). Также увеличение расхода газа ведет к росту коэффициента теплоотдачи, что, в свою очередь, приведет к увеличению скорости разложения угольных частиц. При этом температура газа будет быстрее изменяться при прохождении через засыпку. При остывании частиц эффективная вязкость разлагающейся массы снижается меньшими темпами по сравнению с затвердеванием за счет термического разложения. Такая «консервация» требует выбора технологически осуществимого температурного режима, который позволил бы сохранить уголь в подходящем для формования состоянии в течение нужного периода времени.

В рамках работ по проекту проводился взаимный обмен информацией о состояние технологий использования угля, рынках полукокса/кокса России и ЮАР. Обсуждались также физико-химические процессы коксования углей.

Обсуждение и дальнейшая реализация совместных теоретических концепций, идей и технологических решений позволят оперативно разрешать трудности, возникающие при реализации проекта.

Налажено сотрудничество как между научными сотрудниками, так и между студентами и аспирантами организаций-партнеров.

Международная кооперация несет существенные преимущества для научного и технологического развития технологий использования углей. Стоит отметить, что результаты проекта были доложены и обсуждены в рамках очного рабочего семинара в университете Витватерсранда (ЮАР).

Результаты работ по выполненному этапу будут использованы на следующем этапе экспериментальной апробации предложенных технических решений, отраженных в эскизном проекте.

В практических результатах работы заинтересован индустриальный партнер проекта МКООО «ЭН+ Холдинг», с которым заключен договор о взаимном сотрудничестве по данной теме. Данный проект был представлен на научно-техническом совете холдинга в Москве и получил высокую оценку.