Инженеры ТПУ "строят" цифровое производство полукокса для кемеровчан

ТОМСК, 26 фев – РИА Томск, Елена Тайлашева. Теплоэнергетики Томского политехнического университета (ТПУ) спроектируют производство полукокса для кемеровской угледобывающей компании. Оригинальная технология уже проверена на лабораторной установке. Промышленная установка – мощностью 100 кг в час – сначала будет создана в "цифре": виртуальный прототип позволит сэкономить заказчику миллионы рублей.

Дешевое сырье – дорогой продукт

"Зеленая" энергетика медленно, но верно "откусывает" долю на рынке у традиционных источников энергии. Больше всех страдает уголь – как самый "черный" из них, ощутимо загрязняющий окружающую среду и атмосферу. Как следствие – в Европе от него массово отказываются, цена на рынке все падает и падает…

"При этом объемы добычи не сокращаются – игроки не хотят уходить с рынка. Предложение превышает спрос, в итоге сейчас один килограмм кемеровского угля стоит один рубль. И многие угольные компании задумались: как повысить добавленную стоимость угля? Уголь как сырье дешев, как продукт – дорог", – рассказывает Роман Табакаев, научный сотрудник Инженерной школы энергетики ТПУ.

В прошлом году этот же коллектив ТПУ разработал для кемеровского заказчика технологию изготовления угольных пеллет, используемых для твердотопливных котлов, в том числе автоматических. Был план поставлять их в Польшу.

"Они долго не могли найти того, кто разработал бы оптимальный способ сделать пеллеты из некондиционного угля. Обращались в несколько учреждений, одно, например, предложило технологию, при которой брикеты надо было сушить неделю при естественных условиях – для этого требовалось построить ангар величиной с несколько стадионов.

Нам меньше чем за год удалось сделать прочные, устойчивые к стиранию (что важно при транспортировке) и простые в производстве пеллеты. В конце 2020 года получили на них патент. Дальше кемеровчане хотят создавать научно-производственное предприятие с нашим участием. А нам дали следующий заказ – на технологию полукоксования угля, с последующим проектированием мини-завода", – говорит ученый.

Повышение добавленной стоимости

Если стоимость угольных пеллет на рынке – около 10 тысяч рублей за тонну, то, например, тонна полукокса стоит уже 16 тысяч. Глубже переработка – выше цена…

Полукокс получается в результате термического нагрева угля в бескислородной среде. Доцент Инженерной школы энергетики ТПУ Сергей Хаустов объясняет "на пальцах":

"Когда мы жарим шашлыки, под мясом иногда начинает полыхать пламя. Это горит не уголь – горят летучие газы, которые выделяются из него в процессе нагрева и взаимодействуют с кислородом. Если проводить термическую обработку без доступа кислорода, то на выходе будет углеродный остаток – практически чистый углерод.

Кокс – это то, что получилось при нагреве порядка 800-900 градусов, полукокс – порядка 500-600. Первый, соответственно, по себестоимости дороже второго. В промышленности при выплавке стали используется кокс, но, поскольку он дорогой, "разбавляют" его более дешевым полукоксом – заменить можно до 20% сырья".

Политехники разработали для кемеровчан оригинальную технологию полукоксования, которую уже проверили на экспериментальной установке мощностью несколько килограмм в час.

"Теперь наша задача – сделать промышленную установку мощностью 100 килограмм в час. Это еще не та мощность, которая им нужна, но это промежуточная стадия между реальным производством 10 тонн в час и лабораторной пробиркой.

Чтобы построить большой завод, инвестору нужно вложить сотни миллионов рублей. Обидно будет потерять их, если при масштабировании что-то пойдет не так. А если мы строим мини-завод, то финансовые риски гораздо меньше. Более того, сначала этот завод появится в "цифре", что еще больше минимизирует риски", – поясняет Роман Табакаев.

Просчитано машиной

Сейчас завершается подготовка конструкторской документации, с которой дальше будет работать Сергей Хаустов. Который, кстати, в декабре как сотрудник компании Rubius вошел в Топ-100 участников чемпионата по разработке искусственного интеллекта Russian AI Cup 2020. В течение квартала он должен создать математическую модель будущего завода на основе расчетов и уже полученных экспериментальных данных.

"Обычно между идеей и внедрением в производство присутствует такой этап, как создание прототипа. Все чаще между этапами "идея" и "прототип" появляется этап "виртуальный прототип". Мы создаем его с помощью лицензионного программного продукта Ansys Multiphysics, который используется многими известными предприятиями (такими, как BMW, Boeing, Siemens, Shell, Volkswagen).

Несколько лет назад Томский политехнический университет потратил серьезные средства на лицензию, с помощью этого инструмента можно детально моделировать физические законы реального мира – вплоть до того, как при той или иной конструкции ведут себя моли газа. Например, мы строили такие виртуальные копии промышленных котлов отопления", – говорит ученый.

"Математическое моделирование – популярная практика у продвинутых производителей, например, первый "Рено-Логан" пошел в серию исключительно после виртуальных испытаний, то есть без единого предсерийного прототипа, что сэкономило на этапе проектирования почти 20 млн евро", – отмечает Сергей Хаустов.

Для того чтобы создать математическую модель, искусственный интеллект должен решить не менее 250 миллиардов уравнений, просчитав буквально каждый сантиметр установки. Когда "паззл" сложится, у заказчика будет максимально продуманный проект, который уже можно реализовывать "в железе".

В свою очередь, когда мини-завод будет физически построен, ученые Политеха создадут его цифровой двойник, чтобы "увидеть" скрытые внутри процессы. В дальнейшем это поможет с минимальными рисками масштабировать производство со 100 килограммов до 10 тонн в час.