Parametry jakościowe węgla a jego cena

Bardzo istotne znaczenie w ocenie ekonomicznej projektów górniczych mają przychody ze sprzedaży produktów handlowych kopalni kształtowane przez parametry jakościowe wę-gla. Formuła szacowania przychodów jest reprezentowana przez iloczyn ilości i ceny. W ta-kiej postaci funkcjonuje również w kopalniach, gdzie w ramach podstawowej działalności operacyjnej dominują przychody ze sprzedaży węgla w określonych klasach zbytu.

Ilość wydobywanego urobku determinowana jest zdolnościami poszczególnych ogniw produkcyjnych i transportowych kopalni, możliwościami przerobowymi zakładu przerób-ki mechanicznej węgla, ale i zapotrzebowaniem na węgiel zgłaszanym przez rynek. Funk-cjonowanie zakładu przeróbczego jest ściśle powiązane z kopalnią i ze złożem, z którego pochodzi określony węgiel. Kopalnia może limitować pracę zakładu przeróbczego, nie do-starczając – z różnych powodów – wymaganej ilości urobku węglowego. Zakład przeróbki

mechanicznej węgla (ZPMW) może wówczas funkcjonować w sposób nieoptymalny, po-niżej swoich zdolności przeróbczych (nominalnych). Z kolei nadmierna wielkość nadawy może powodować zatory, przeciążenia układu maszyn i urządzeń, awarie, co ostatecznie może odbijać się na gorszej jakości produktów ZPMW. Przerabianie skały płonnej wiąże się z ponoszeniem wyższych kosztów przerobu.

Podmioty górnicze produkują i sprzedają samodzielnie lub przez specjalnie wydzielone do tego celu struktury sprzedażowe różnorakie produkty handlowe kwalifikowane – we-dług parametrów jakościowych – do odpowiednich klas zbytu. Jakość urobku (nadawy) ma bardzo istotne znaczenie i związana jest ze składem i udziałem węgla oraz skał płonnych, które towarzyszą jego wydobyciu. Węgiel dostarcza substancji organicznej – palnej, skała płonna – substancji nieorganicznej i niepalnej.

Sterowanie jakością węgla wydobywanego z dołu kopalni jest możliwe zasadniczo w ra-mach właściwości technologicznych i cech węgla w złożu. Funkcjonowanie zakładu prze-róbczego, warunkowane wymogami jakościowymi odbiorców, sprowadza się do takiego sterowania procesem przeróbczym, które umożliwi osiągnięcie tych wymogów. W zakres sterowania procesami przeróbczymi wchodzą decyzje o wzbogacaniu węgla niskiej jakości (kształtowanie relacji koncentrat – odpad) lub o kierowaniu węgla surowego bezpośrednio do sprzedaży. Można ogólnie stwierdzić, że im większe są wymagania jakościowe, tym głęb-szy jest poziom wzbogacania; rośnie udział odpadów, a maleje wychód koncentratu węgla.

Każdy zakład przeróbczy funkcjonuje na bazie znajomości charakterystyk technolo-gicznych węgla i możliwości jego wzbogacania. Zespoły krzywych wzbogacania informują o tym, jakie parametry jakościowe koncentratu można uzyskać z węgla surowego, poddając go procesom przeróbczym w określonym zakładzie przeróbczym i określonej technologii wzbogacania (Blaschke 2009). Dla danego węgla układ podstawowych parametrów jako-ściowych, tj. wartości opałowej, zawartości popiołu i siarki jest względnie zdeterminowany, a wzbogacanie prowadzi się najczęściej pod kątem tylko jednego z nich (Grudziński 2012).

Oznacza to, że przykładowo wzbogacanie pod kątem określonej wartości opałowej będzie powodować automatycznie redukcję zapopielenia węgla i niejednokrotnie również siarki.

Jak wskazuje Blaschke (2009), w trakcie procesów przeróbczych w zasadzie reguluje się za-wartość popiołu, a w procesach odwadniania i suszenia – zaza-wartość wilgoci. Pozostałe para-metry jakościowe w praktyce nie są poddawane bieżącej kontroli i regulowane są pośrednio poprzez tzw. głębokość wzbogacania i rozdział frakcji na koncentrat i pozostałe półprodukty i produkty, dla zadanej zawartości popiołu w koncentracie. Nie ma większych problemów technicznych i technologicznych, by produkować koncentraty praktycznie każdej jakości.

Maleje jednak wyraźnie ich wychód, a rosną koszty zarówno po stronie kopalni, jak i za-kładu przeróbczego, które rozkładają się na mniejszy tonaż produktów finalnych (Blaschke 2009). Procesom przeróbczym towarzyszą jednak straty wynikające ze sprawności układu wzbogacania (imperfekcji zwanej też rozproszeniem prawdopodobnym), czyli dokładności procesów rozdziału.

Oprócz podstawowych parametrów jakościowych węgla (wartości opałowej, zawarto-ści popiołu i siarki), użyteczność węgla energetycznego w procesach spalania może być

74

określana na bazie takich parametrów jak: zawartość części lotnych, zawartość azotu, podatność przemiałowa, skład petrograficzny. W przypadku węgli koksowych znaczenie mają dodatkowo: spiekalność, wolne wydymanie, zawartość fosforu, chloru oraz para-metry wtórne wytworzonych z nich koksów: reakcyjność wobec CO₂ (CRI) i wytrzyma-łość (CSR). Jakość węgla, poza standardowymi analizami technicznymi, określana bywa również za pomocą analizy pierwiastkowej, ze szczególnym uwzględnieniem zawartości węgla, tlenu, wodoru, azotu oraz siarki. Zawartość części lotnych wpływa głównie na zachowanie węgla w czasie składowania (utlenianie, skłonność do samozapłonu, utrata wartości cieplnej), temperaturę na wylocie z młynów, stopień rozdrobnienia, rozmieszcze-nie palników w kotle oraz konstrukcję pieca, zapłon węgla i stabilność płomienia. Azot determinuje poziom tlenków azotu w trakcie emisji. Podatność przemiałowa wpływa na wydajność mielenia, skład ziarnowy pyłu węglowego (efektywność spalania), system na-węglania i usuwania popiołu. Skład petrograficzny również wpływa na podatność prze-miałową, reaktywność i palenie się węgla, konstrukcję i rozmieszczenie palników w kotle (Lorenz i in. 2002).

W Polsce o konkurencyjności i cenie węgla energetycznego świadczy przede wszystkim jego atrakcyjność dla celów prowadzenia procesów spalania, a w przypadku węgli kokso-wych odpowiednio możliwość produkcji wysokogatunkokokso-wych sortymentów koksu.

Wartość opałowa

Wartość opałowa jest kluczowym parametrem jakościowym węgla, szczególnie istotnym w przypadku węgli energetycznych.

Wartość opałowa jest ilością ciepła odprowadzonego z komory spalania po zupełnym i całkowitym spaleniu jednostkowej ilości węgla (Górska i in. 1986). Ciepło spalania to cał-kowita ilość energii otrzymanej z węgla z uwzględnieniem ciepła kondensacji pary wodnej wytworzonej w tym procesie, która zależy od składu petrograficznego węgla i stopnia uwę-glenia substancji organicznej (Mielecki 1972). Ciepło spalania dla polskich węgli według PN-54/G-97002, w zależności od typu, waha się w przedziale od 28,0 MJ/kg do 37 MJ/kg, przy czym dla węgli płomiennych, gazowo-płomiennych i gazowych (typ 31-33) ciepło spa-lania zamyka się w przedziale 31,0–34,3 MJ/kg (Jasieńko i in. 1995). Jednak – jak wskazuje Ferens (2014) – dla niektórych węgli polskich kopalń ciepło spalania może wynosić nawet 18 MJ/kg. W praktyce błąd szacowania wartości opałowej dla węgla kamiennego na bazie ciepła spalania w zależności od metody jego wyznaczania może być znaczący, sięgający nawet 20% (Ferens 2014).

Istotną cechą wartości opałowej jest jej addytywność, szczególnie ważna przy szaco-waniu wartości opałowej mieszanek węglowych. Niższa wartość opałowa węgla wymaga dostarczenia większej jego ilości do elektrowni, aby zapewnić możliwość wytworzenia określonej ilości energii. Oznacza to narastanie kosztów w całym łańcuchu wartości, który na elektrowni się kończy. Kopalnie ponoszą koszty urabiania, transportu poziomego i piono-wego oraz przerobu dodatkowej ilości węgla (przy tej okazji również skały płonnej), przy-najmniej w części zmiennej kosztów. Elektrownie kupują jego większe ilości, płacąc koszty

transportu kolejowego lub samochodowego. Wzrost kosztów wytwarzania energii wiąże się w rezultacie z przenoszeniem ich części lub całości na odbiorcę końcowego.

Zawartość popiołu

Popiół jest pozostałością spalania substancji organicznej i utleniania składników mi-neralnych, obecnych w węglu. Dostarcza on informacji o wielkości substancji niepalnych.

Znaczenie posiada nie tylko zawartość popiołu w węglu, ale również jego rozmieszczenie wewnątrz substancji węglowej. Popiół w całości stanowi odpad w procesach energetycz-nych. Substancja mineralna powoduje obniżenie wartości opałowej węgla i zależnie od skła-du chemicznego wpływa na przebieg spalania.

Z powodu złożoności problemów związanych z procesami spalania oraz utylizacji od-padów i spalin, w praktyce przemysłowej monitoruje się ilość i jakość popiołów. Jest to związane z utylizacją popiołu w postaci odpadów stałych i lotnych, w większym jednak stopniu zapopielenie węgla wpływa na efektywność procesów spalania oraz pracę zespołów energetycznych. W szczególności pogarsza się praca układu nawęglania, młynów, kotłów i systemu odprowadzania popiołów. Powstawanie odpadów stałych – popiołów i żużli (tzw.

odpadów paleniskowych) zależy od pierwotnego zapopielenia węgla, sprawności elektrofil-trów, ale także od konstrukcji paleniska, które winno umożliwiać maksymalnie czyste i cał-kowite spalanie paliwa węglowego. Możliwości utylizacji popiołów i żużli wynikają rów-nież z zawartości w nich substancji szkodliwych dla środowiska oraz innych decydujących o kierunkach ich gospodarczego wykorzystania.

Średnie zawartości popiołu w węglach złóż GZW wahają się w granicach od 4,2 do 62%, natomiast w DZW − od 10,1 do 38,8% popiołu. W LZW natomiast zmieniają się w przedzia-le 6,2–18,1% (PIG 2016).

Zawartość siarki

Siarka występuje praktycznie we wszystkich typach paliw stałych. Jej zawartość całkowi-ta w węglu waha się w przedziale o 0,1 do 3% masy (Gabzdyl i in. 1994, 1995). Występuje w połączeniach organicznych i nieorganicznych, które składają się na jej zawartość całkowitą.

Siarka nieorganiczna obejmuje siarkę pirytową (w odmianach pirytu, markasytu, galeny i innych), elementarną oraz siarczanową, znaną pod postacią gipsów, barytu, siarczanów żelaza, magnezu i sodu. Polska norma PN-76/G-04514/00 wydziela ponadto siarkę palną, którą tworzą palne związki siarki zawarte w paliwie stałym. Jej zawartość oblicza się jako różnicę pomiędzy zawartością siarki całkowitej i zawartością siarki popiołowej. Z kolei siar-ka elementarna występuje jako siarsiar-ka niezwiązana chemicznie (pierwiastkowa) w paliwie stałym. Siarka nieorganiczna występuje głównie w postaci pirytu; jego duży ciężar właściwy jest wykorzystywany w procesach grawitacyjnego wzbogacania węgla, umożliwiających jej częściową redukcję.

Siarka organiczna, stanowiąca element budowy związków złożonych, w postaci których występuje, nie jest usuwalna mechanicznie. Można ją usunąć jedynie w procesach odsiarcza-nia chemicznego lub mikrobiologicznego (Ratajczak, Stachura 2002).

76

Polskie węgle z zawartością siarki poniżej 1% zaliczane są do węgli niskozasiarczo-nych, natomiast węgle o podwyższonej zawartości siarki zawierają ją w ilości powyżej 1,5%. Średnie zawartości siarki całkowitej w węglach złóż GZW wahają się w granicach od 0,4 do 6,4%, natomiast w DZW od 0,69 do 1,61%. W LZW występują głównie węgle ener-getyczne, aż do węgli gazowo-koksowych typów 31-34. Średnie zawartości siarki całkowitej dla tych węgli mieszczą się w przedziale od 1,35 do 3,12% (PIG 2016).

Siarka zawarta w węglu ma duży wpływ na przebieg procesów spalania. Część jej związków ulega związaniu (tworzą się nalepy mineralne w postaci siarczanu sodowego oraz siarczku wapnia) w różnych częściach paleniska, prowadząc do ich korozji. Tworzący się również kwas siarkowy potęguje procesy korozyjne urządzeń chłodzących, ciągu ga-zów spalinowych i urządzeń oczyszczających. Jednak zbyt niska zawartość siarki w węglu może obniżać sprawność pracy elektrofiltrów (Lorenz i in. 2002). Szkodliwa jest również emisja związków siarki do atmosfery w postaci SO₂. Emitenci płacą opłaty z tytułu emisji szkodliwych substancji do środowiska, regulowane odpowiednimi rozporządzeniami mi-nistra środowiska. Aktualnie stawka za emisję SO₂ do powietrza wynosi 530 zł/Mg tego związku.

Formuły cenowe (sprzedażne) jako funkcja wartości użytkowej węgla

Formuła cenowa (sprzedażna) jest konstrukcją matematyczną wiążącą określone para-metry jakościowe węgla z ceną węgla wskaźnikowego.

Już w latach dziewięćdziesiątych XX wieku w Instytucie GSMiE PAN w Krakowie de-finiowano formuły sprzedażne (Blaschke i in. 1993), które ewoluowały w swojej postaci w kolejnych okresach. Dzisiaj oficjalnie nie obowiązuje żadna formuła, a opracowane wów-czas konstrukcje wzorów, rozwijane jeszcze w minionym dziesięcioleciu, pełnią funkcje wspierające w procesach negocjacji cen pomiędzy kopalniami a elektrowniami (Blaschke 2000; Grudziński 2009).

W przypadku węgla energetycznego wyróżnia się cztery podstawowe parametry jako-ściowe, przy czym najważniejsze uznaje się trzy pierwsze:

— wartość opałową,

— zawartość procentową popiołu,

— zawartość siarki całkowitej,

— zawartość wilgoci całkowitej.

Parametry te łączy określona formuła cenowa, która pozwala oszacować cenę danego węgla. Zawartość wilgoci była ważnym parametrem w szczególności, gdy formuły cenowe bazowały na parametrach węgla w stanie suchym, a sama wilgoć mogła istotnie wpływać na atrakcyjność węgla (Lorenz i in. 2002). W przypadku węgla podawanego w stanie surowym (rzeczywistym) formuły bazują tylko na trzech pierwszych parametrach jakościowych.

Pierwotnie formuła – oznaczona jako „z maja 1990 r.” oraz tzw. formuła bytomska we wzorze na cenę węgla uwzględniały dodatkowo parametr r_e, będący wskaźnikiem relacji pomiędzy sortymentami (dla miałów energetycznych przyjmowano, że r_e = 1). Wprowa-dzono do tych formuł również zmienną, dobraną do zawartości popiołu. Dla sortymentów

miałowych w formule bytomskiej wartość tego parametru ustalono domyślnie na poziomie 0,8. Wartość opałowa była natomiast odnoszona do średniej kaloryczności węgla wskaźni-kowego, wynikającej z negocjowanej ceny węgla normatywnego. Podobnie również kory-gowane były dwa dodatkowe parametry zapopielenia i zasiarczenia. Wartość referencyjna zapopielenia wynosiła wówczas 12%, podczas gdy zawartość siarki całkowitej 1%. Z cza-sem zmieniały się parametry węgla normatywnego (tj. średniego), na bazie których – przy znanej jego cenie – ustalana była cena węgla w sprzedaży. Grudziński (2009) podaje kilka odmian stosowanych formuł sprzedażnych. W pracy tego autora z roku 2012 ustalone były bardziej dokładne, funkcyjne związki pomiędzy poszczególnymi parametrami jakościowymi węgli różnego typu. Podstawą do ich szacowania były modele regresyjne, umożliwiają-ce przeliczanie wartości opałowej na zawartość popiołu w węglu i odwrotnie (Grudziński 2012).

W przypadku modeli obliczeniowych − deterministycznych, wykorzystywanych w ni-niejszej pracy, poprawność wyników została zagwarantowana odpowiednio dobraną for-mułą cenową. Formuła ta łączy skorelowany wpływ poszczególnych parametrów jako-ściowych. W modelach symulacyjnych rozwiązano problem łącznego wpływu parametrów jakościowych, konstruując dedykowaną formułę sprzedażną z uwzględnieniem kopuły empirycznej.