Международный проект Минобрнауки РФ со странами Африки

Номер соглашения с Министерством науки и высшего образования РФ № 13.2251.21.0254 (№ эл. бюджета 075-15-2024-651) от 11 сентября 2024 г.

Организации исполнители проекта:

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, Россия

Университет Витватерсранда, ЮАР

Руководитель российской научной группы: заведующий лабораторией Термодинамики, к.т.н. Александр Козлов

Руководитель южно-африканской научной группы: профессор Юсуф Макарфи Иса.

Индустриальный партнер проекта: МКООО «ЭН+ ХОЛДИНГ» управляющая компания энергетического сегмента En+ Group, вертикально интегрированного производителя алюминия и электроэнергии, включающего активы в сфере энергетики, цветной металлургии и горнорудной промышленности, а также логистики и стратегически связанных с ними отраслей.

Цель проекта:

Методология исследований предполагает использование комплексного подхода, сочетающего аналитические исследования научно-технической литературы, нормативно-технической документации и патентных источников, инструментальные исследования для определения кинетических коэффициентов и составления базы физико-химических свойств углей, масштабные экспериментальные лабораторные исследования стадий коксования углей, моделирование и проектирование основных стадий и создание, монтаж и проведение тестовых испытаний на лабораторном стенде коксования.

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

1. Осуществлен анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации по теме проекта, который показал, что развитие угольных технологий является ключевой темой исследований для многих стран, где безусловным лидером является Китай.
2. Выполнен отчет о патентных исследованиях, выявлены направления исследований, проведен анализ патентов по теме проекта, выявлено отсутствие патентов, препятствующих свободному проведению разработок по теме «Разработка технологии пирогенетического коксования углей с получением коксов с улучшенными экологическими и эксплуатационными характеристиками».
3. Осуществлен анализ рынка полукокса/кокса РФ. Установлено, что объем производства кокса и полукокса в России в 2023 г. составил 25,7 млн т, из них 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 %.
4. Сформирована база данных физико-химических свойств углей. Определены технические характеристики (влажность, зольность, выход летучих веществ, низшая теплота сгорания, доля связанного углерода) и элементный состав (углерод и сера). Определены реакционная способность углей и состав минеральной части углей, а также определены такие физические свойства как насыпная плотность, способность к вспучиванию и спеканию.
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 исследуемых в работе углей разной крупности.
6. Выполнен эскизный проект лабораторного стенда пирогенетического коксования угля, на основании которого в настоящее время осуществляется изготовление стенда.
7. Разработаны точечные и CFD модели основных стадий коксования углей, расчеты по которым показали, что повышение температуры в реакторе быстрого нагрева ускоряет достижение момента размягчения угольной массы.
8. Составлен обзор современного состояния чистых угольных технологий в странах с высоким уровнем использования угля, в том числе ЮАР. Показано, что полный отказ от угля в таких странах в краткосрочной и долгосрочной перспективах маловероятен ввиду отсутствия альтернативного сырья, способного полностью заменить уголь. Более разумным подходом является повышение экологической эффективности существующих угольных производств и электростанций.
9. Составлен обзор технологий коксования углей в странах лидерах по производству кокса, в том числе ЮАР и получены оценки влияния параметров процесса на свойства кокса. Установлено, что основной технологией получения металлургического кокса во всех странах – производителях кокса является использование печей вертикального типа и использование качественных коксующихся углей.
10. Определено, что в 2023 г. доля ЮАР в мировом экспорте кокса и полукокса составила 0,3%, в мировом импорте – 4,3%.

Результаты второго этапа исследований по проекту (январь – декабрь 2025 г):

1. Изготовлен и смонтирован лабораторный стенд пирогенетического коксования углей. Проведены тестовые испытания работоспособности разработанной технологии.
2. Экспериментально определены параметры процесса формирования пластической массы угля.
3. Экспериментально определены параметры формования угольной массы.
4. Экспериментально определены оптимальные режимы спекания и прокаливания формованного угольного брикета.
5. Осуществлена верификация численных моделей для моделирования отдельных стадий процесса и разработан вычислительный аппарата для моделирования всего технологического процесса коксования.
6. Осуществлена оценка границ и условий конкурентоспособности перспективной технологии пирогенетического коксования углей.
7. Получен РИД и осуществлена его дальнейшая проработка для внедрения в производство.
8. Обобщены результаты Российской и Южно-Африканской научных групп и выработаны рекомендации по дальнейшей разработке и внедрению чистых угольных технологий в РФ.
9. Получены технико-экономические оценки производства кокса с использованием слабоспекающихся углей.
10. Получена оценка жизненного цикла производства и использования кокса.
11. Обобщены результаты Российской и Южно-Африканской научных групп и выработаны рекомендации по дальнейшей разработке и внедрению чистых угольных технологий в ЮАР.