Ставки на обогащение угля

В последние пару десятилетий новости о запуске или модернизации очередной угольной обогатительной фабрики уже стали нормой. Особенно активен Кузбасс, где добывают больше 70% российских углей. При этом специалисты продолжают уверенно говорить, что в регионе дефицит обогащения. Фабрики строят, фабрики проектируют — и их всё равно не хватает.

Фабричный бум

Ещё недавно обогащали у нас по большей части угли коксующиеся. Сегодня же фабрики работают и на многих объектах, добывающих энергетические угли. Откуда такой интерес к обогащению? Профессор кафедры «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов» СФУ, заслуженный эколог РФ Игорь Зеньков объясняет просто: всё решает экономика. Российская тепловая и электрическая генерация использует только необогащённый уголь.

Работают котлы на тепловых станциях, настроенные на сжигание угля с зольностью до 50%. Но в себестоимости угля заметную долю занимает транспортировка. Везти уголь названной зольности — значит гнать порой через всю страну вагоны, где половину занимает пустая порода. Если же возложить переработку на плечи потребителя, то исходный товар придётся продавать дешевле. Обогащение в большинстве случаев становится самым выгодным вариантом, объясняет Игорь Владимирович.

О других причинах рассказал технический руководитель проектов исследований по переработке углей крупнейшего лабораторного комплекса SGS Дмитрий Завалишин. Не секрет, что проект любой обогатительной фабрики проходит через аналитическую лабораторию, поэтому здешние специалисты просто обязаны ориентироваться в ситуации в отрасли.

Итак, г-н Завалишин выделил четыре ключевых причины активного фабричного строительства последних лет. Первая — это увеличение доли углей, отправляемых на экспорт. Как правило, зарубежные покупатели предъявляют достаточно жёсткие требования по показателям, которые можно регулировать, используя процесс обогащения. И это касается не только традиционного показателя зольности, но и других: спекающихся и коксующихся свойств, химического состава золы, содержания серы и т. д.

Вторая причина — высокая конкуренция на внутреннем рынке, где также идёт процесс ужесточения требований потребителя к качеству поступающего угля.

Причина номер три — общая тенденция к ухудшению геологии разрабатываемых угольных месторождений.

В разработку включаются месторождения, которые рентабельно отрабатывать только при существующем техническом и технологическом уровне обогатительных фабрик.

Ну и, наконец, четыре — современные технологии, которые позволяют это сделать (хотя тут можно порассуждать, что является причиной, а что — следствием). Как объясняет эксперт, речь идёт не о только о совершенствовании оборудования для обогащения угля, но  также о технологиях сгущения и обезвоживания шламов. Всё это позволяет повысить рентабельность мокрого обогащения угля, который специалист называет самым эффективным на сегодняшний день.

Угольные фабрики эволюционируют

Безусловно, новые фабрики становятся более технологичными: мы уже говорили про технологии обращения с водой, к тому же совершенствуются системы газоочистки, фабрики становятся более энергоэффективными и прочее. Этим процессам мы посвятили отдельную статью в №2, 2020.

Ещё несколько десятилетий назад на месте современных фабрик (в Республике Хакасия, например) была только ручная породовыборка. На такие работы, рассказывает Игорь Владимирович, обычно брали женщин из низших социальных слоев, а также студенток-практиканток из институтов или техникумов: они просто снимали с ленты крупные куски породы.

Конечно же, эффективность такого «обогащения» была крайне низкой. Нашим экспертам неизвестны случаи применения такой «технологии» сегодня, однако по-прежнему в ходу механизированная породовыборка: ЦДУ ТЭК сообщает, что в 2019 году в России переработали 207,6 млн т, причём 205,9 млн тонн на фабриках, остальное — это именно ручная выборка.

Действительный член Академии горных наук, доктор технических наук, профессор Лина Антипенко значимым событием в истории углеобогащения называет замену пневматических фабрик современными. Если в Донбассе мокрые методы обогащения начали применять ещё в 1930-х (флотация здесь в ходу с 1937-го), то на Кузбассе замена началась только в  1960-х. Долгое время считалось, что здесь слишком холодный климат, поэтому применение таких технологий нецелесообразно.

«Я помню, как впервые пришла на угольную обогатительную фабрику на практику, — это была именно пневматическая фабрика. Такая технология подразумевает разделение угля и породы по удельному весу, так скажем, «обогащение воздухом». Мне, практикантке, начальник смены объяснил: дверь открываешь, три ступеньки отсчитываешь, будет стоять лопата для угля — кидай.

Я зашла, а там свет от лампочки еле-еле пробивается, такая пыль стоит. Минут на 15 меня хватило тот уголь кидать, а когда вышла оттуда, меня не узнали — чёрная была», — рассказывает Лина Александровна, уточняя, что таких фабрик сегодня больше нет. Обогащение с использованием воздуха заменили на обогащение с применением воды.

Большую часть перемен на угольных обогатительных фабриках профессор Зеньков объясняет всё теми же экономическими причинами. Например, замкнутая водно-шламовая схема, которая сегодня позиционируется как наиболее экологичное решение. В  большинстве случаев она является не только самой оптимальной, но и вовсе единственно возможной технологией. Все процессы мокрого обогащения угля связаны с водой.

А где же её взять в необходимом объёме, ведь водоём вблизи промобъекта есть далеко не всегда. Поэтому, говорит Игорь Владимирович, именно в большей степени экономика, и в меньшей — экология — мотивирует углеобогатительные фабрики России сегодня работать на замкнутом водоснабжении.

Главный инженер ОФ «Тайбинская» Андрей Задвинский, говоря об эволюции обогатительных фабрик, отмечает совершенствование и распространение гравитационных методов: предприятием будущего он назвал производство, где уголь обогащают только в тяжелосредных гидроциклонах несколькими машинными классами.

«Обогатительная фабрика, представляет собой мощный высокомеханизированный комплекс со сложными технологическими процессами, предназначенными для увеличения концентрации ценных компонентов в конечном товарном продукте. Процесс обогащения рядовых углей происходит в обогатительных аппаратах на основе физических свойств: плотности, смачиваемости.

Из всех методов обогащения наиболее высокую технологическую эффективность имеют гравитационные методы. Данный метод обогащения позволяет получить результаты разделения по плотностям близкие к теоретическим, свести к минимуму потери угля с отходами обогащения и обеспечить получение высококачественных товарных продуктов.

Кроме того, в тяжёлых средах может обогащаться уголь с широким диапазоном крупности – от 1 мм в тяжелосредных гидроциклонах и до 350 – 400 мм в тяжелосредных сепараторах при практически неограниченном содержании тяжелых фракций. В диапазоне 0,35-1 мм предпочтение отдается винтовой сепарации, при обогащении класса менее 0,35 мм на первое место выходит флотация», — объясняет специалист.

«Моя мечта — это полностью автоматизированная фабрика. Это предприятие, где сырьё может меняться, а концентрат фабрика будет давать заданных характеристик. И обеспечит это не процесс шихтования, а точные настройки.

Для этого необходимы локальные системы, увязанные в общую систему автоматизации. Чтобы режимы обогащения регулировал не диспетчер, а автоматика. Я побывала на фабриках, пожалуй, во всех странах, где работают с углём — такого предприятия в мире нет. Реализовать такой проект сложно, но современные технические средства делают его возможным».

«Выделю две важнейших характеристики современных угольных обогатительных фабрик. Технологические схемы новых предприятий предусматривают замкнутый цикл (т.е. закрытую водно-шламовую схему, без использования гидроотвала). Замкнутый цикл предполагает наличие системы очистки воды в сгустителе.

Для интенсификации осветления шламовых вод и сгущения отходов в сгуститель подаются флокулянты и коагулянты. Осветленная вода поступает в оборотный бак и подается в технологический процесс.

Также стоит отметить автоматизированные системы управления обогатительным комплексом — они позволяют получить информацию о состоянии оборудования и вывести её на дисплей. Пуск оборудования происходит по нажатию одной кнопки, расположенной на экране АРМ. Запускаются все механизмы, задействованные в технологическом процессе».

А нужно ли?

Число фабрик, конечно, растёт, меняются и технологии. Однако далеко не весь российский уголь сегодня обогащают. Мы уже называли цифру 207,6 млн т — объёмы обогащения в 2019 году, что на 2% больше, чем в 2018-м. Однако добыли в России за тот же период 439,2 млн т (данные Росстата). То есть через фабрики и породовыборку прошла половина угля.

Так, говорит Игорь Зеньков, угли Канско-Ачинского бассейна идут потребителю непосредственно с разрезов. Это энергетические угли, приобретают их, по большей части, местные тепловые станции, технологии сжигания на которых не требуют предварительного обгащения исходного топлива, то есть угля.

И поскольку золошлаковые материалы, в отличие от зарубежных тепловых станций, в народном хозяйстве применения не находят, то вблизи станций эти материалы скапливаются в золошлаковых накопителях площадью 100 гектаров и более.

«Каракан Инвест» (добывающие мощности предприятия находятся в Кузбассе) работает с энергетическим углём и также обходится без обогатительных фабрик. Вместо обогащения здесь применяются технологии селективной выемки угольных пластов со сложным геологическим строением.

«На разрезе работают настоящие ювелиры, мастера своего дела. Это люди, которые занимаются селективной выемкой: уголь отдельно, порода отдельно. И так по несколько «сигналов». Работа, безусловно, тяжелая, но благодарная. Мы не просто добываем уголь, мы его облагораживаем, проводим предпродажную подготовку. При этом за всё время мы не построили ни одной обогатительной фабрики», — говорит председатель совета директоров компании Георгий Краснянский (цитата газеты «Кузбасс»).

Он уточняет, что необогащённый уголь гораздо удобнее в транспортировке: фабрику покидает влажный концентрат, и удалить эту влагу на 100% не способна никакая сушка. В результате — проблема смерзания угля в транспортном средстве.
В целом сегодня актуален вопрос о рентабельности обогащения энергетического угля.

«Тенденция к увеличению углей, проходящих процесс обогащения, характерна как для коксующихся, так и для энергетических углей. Также необходимо отметить тенденцию к росту фабрик, прошедших реконструкцию и техническое перевооружение, направленные на снижение потерь угля в процессе обогащения.

В частности, для энергетических углей наблюдается переход от технологии обогащения только крупного угля к технологии обогащения и крупного, и мелкого угля (запуск вторых очередей обогащения), а для коксующихся углей внедрение на обогатительных фабриках технологии обогащения шлама (технологии флотации)», — комментирует Дмитрий Завалишин.

В качестве иллюстрации возьмём хакасскую угледобычу. С разреза «Степной» уголь на поверхность поднимают с 1993 года. А фабрика заработала только в 2011-м, до этого же в ходу была та самая породовыборка.

«Уголь наш отправляется на предприятия Хакасии, а ещё уходит за границу — как в Европу, так и в Азию. Мы действительно много лет обходились без фабрики — рынок не требовал. Сегодня дедовские методы, вроде ДСК, уже не позволяют быть конкурентоспособными.

А вот обогатительная фабрика с современным оборудованием как раз помогает выходить на уровень выше, соответствовать запросам рынка», — объясняют работники предприятия, при этом уточняя, что качество добываемого угля не изменилось, с ухудшением МСБ добытчик не столкнулся.

Ещё более показательна история соседнего разреза «Черногорский» предприятия «СУЭК-Хакасия». Разрез сдали в эксплуатацию в 1959 году, а фабрику запустили в 1975-м. То есть 16 лет здешний уголь вообще не обогащали, а первый корпус фабрики подразумевал работу только с крупными фракциями: 0-13 отсеивали без обогащения.

И уже в 2012 году появился новый корпус обогащения мелких фракций угля. В общем, преобразования шли ровно по той схеме, которую выше описал Дмитрий Завалишин.

К слову: в этом году ещё один хакасский разрез «Восточно-Бейский» (работы здесь также ведёт «СУЭК-Хакасия») планирует обзавестись собственной обогатительной фабрикой. Проектная мощность фабрики — 750 т переработки угля в час. Ожидается, что почти весь добываемый на разрезе уголь будет обогащаться. При этом планируется, что в ближайшие годы объёмы возрастут с 3,5 млн тонн до 5 млн тонн.

«Основные изменения в оснащении аналитических лабораторий в последнее время связаны с ужесточением требований к качеству поставляемой продукции со стороны потребителей. Так, например, широкое внедрение с начала 1990-х годов в коксохимическом производстве показателей реакционной способности кокса (CRI) и прочности после реакции (CSR) как стандартных показателей качества кокса значительно изменило подход к формированию шихты для коксования и требованию к используемым в коксохимическом производстве угольным концентратам.

Это вынудило угольные предприятия внедрять нетрадиционные для угольной промышленности методы контроля качества отгружаемого сырья. Необходимо отметить широкое внедрение электронной микроскопии (петрографического анализа), расширение методов анализа пластических свойств угля наряду с традиционным в российской практике показателем толщины пластического слоя (например, показателем текучести по Гизелеру, индексом свободного вспучивания), а так же внедрение методик лабораторных коксований угля и определение показателей CRI/CSR для лабораторного кокса.

Касаясь энергетических углей, можно сказать, что широкое внедрение технологии вдувания угольного топлива в доменные печи (PCI) также изменило традиционные требования к качеству энергетических углей. Помимо традиционных показателей: содержания общей влаги, зольности и теплоты сгорания, — потребовался анализ химического состава золы и её плавкости, механических свойств и, в частности, размолоспособности по Хардгрову».

Вопрос эффективности обогащения угля

Казалось бы, развитие промышленных производств подразумевает в первую очередь рост эффективности — именно так обычно и позиционируют новые фабрики. И на этом фоне крайне неожиданно звучит заключение Лины Антипенко, проектировщика-обогатителя с многолетним опытом: «Все фабрики, построенные в России после 2000 года, требуют реконструкции».

«Эта фраза есть в нескольких моих статьях, я произносила её на многих конференциях, и такие выводы полностью обоснованы. Я побывала на многих фабриках, в том числе в Кузбассе, я вижу, какие неразумные технологические схемы на них реализованы.

Огромная ошибка, которую стали допускать проектировщики начала нового века, — это отказ от флотации, замена флотомашин гидроциклонами. Спиральные сепараторы опять же: здесь нужно улавливать фракцию до 3 мм, а на них 1 мм или даже 0,5 мм подают.

На самом деле, много вопросов к современным проектам. В результате мы имеем огромные потери угля: я была на одной из таких новых фабрик, которая считается очень удачной. Там потери до 37%! Тут следующий вопрос: а что с такими отходами делать? Их же нужно опять перерабатывать. По этому вопросу я, кстати, тоже разрабатывала предложения, но это пока мало кому интересно», — комментирует Лина Александровна.

Проблему эксперт видит в изменении самого подхода к проектированию, а также в исчезновении грамотных специалистов. Вузы не справляются с подготовкой кадров, проекты не инспектируются. В результате и нужное оборудование на объекте может быть включено в схему, а эксплуатируют его некорректно. Г-жа Антипенко отмечает, что видела и такие примеры.

И опять же вопрос: а нужна ли флотация при обогащении энергетических углей? Сегодня новые и модернизированные фабрики целенаправленно отказываются от этого этапа, называя его экономически неэффективным. Получается, что расходы на технологию, в частности, флотореагенты, несопоставимы с прибылью от продажи добытого концентрата по сегодняшним ценам на энергетический уголь.

«В СССР принято было считать, что энергетический уголь не нужно подвергать флотации, потому что полученный продукт дёшев. Конечно же, я слежу за ситуацией: всё идёт к тому, что спрос на энергетические угли падает, нужен только кокс для металлургии.
Но для некоторых энергетических углей я всё-таки тоже предлагаю флотацию. В 2000-х, когда от этой технологии начали отказываться, я провела расчёты — экономический эффект обогащения с флотацией и без.

И пришла к однозначному заключению: эффективность обогащения без флотации падает, применение флокулянтов (тем более, что они сплошь импортные) обходится дороже применения флотационных реагентов. Конечно, для энергетических углей свои схемы, но я бы не стала флотацию со счетов сбрасывать», — комментирует Лина Александровна.

В последние годы, отмечает специалист, флотацию реабилитировали, и этот участок снова появляется в производственной цепочке современных фабрик. Из новых кузбасских предприятий Лина Александровна отметила «Междуреченскую» и «Матюшинскую» фабрики как наиболее успешные и эффективные.

К слову, в 2021 году в Кузбассе планируют построить четыре новых угольных предприятия. В их числе и обогатительная фабрика в Киселёвске.

Текст: Анна Кучумова