Институт углехимии и химического материаловедения ФИЦ УУХ СО РАН: На пути возрождения углехимии России

В последние 12-15 лет в мире на фоне общего роста энергопотребления произошла угольная революция. Так только в период с 2000 до 2015 года добыча угля в мире возросла с 4516 млн.Т до 8070 млн.Т, то есть в 1,87 раза.

Уголь частично восстановил свои позиции, во многом утраченные во второй половине ХХ века, как глобальный энергоноситель.

По добыче угля передовые позиции в мире занимают Китай, США, Индия, Австралия, Индонезия. Китай добыл в 2015 году 46% от мировой добычи угля. Одновременно с ростом добычи угля растёт качество его обогащения и глубокой углехимической переработки.

Отметим, что в СССР углехимия была сосредоточена, главным образом, в отраслевых НИИ таких мощных ведомств как Минуглепром и Минчермет.

Многие из них перестали существовать, как, например, знаменитый Институт горючих ископаемых в Москве или до минимума свернули свою деятельность по углехимии, как например, ВУХИН в Екатеринбурге и его филиалы. В небольших объёмах исследования по углехимии проводились в институтах РАН.

В то же время значение угля в глубокой переработке во многих странах мира возрастает.

В Российской Федерации, несмотря на отдельные попытки создания и внедрения инновационных энергосберегающих и экологически безопасных технологий глубокой переработки угля, исследования в этой актуальнейшей области носят разрозненный характер, практически прекратилось научное обеспечение угольной и углехимической промышленности со стороны министерств и угледобывающих предприятий.

По существу, за последние 25-30 лет Россия потеряла свои позиции одного из лидеров в этой области, уступив эти позиции Китаю, США, Индии и другим странам.

Складывается критическая ситуация, когда Российская Федерация, обладая огромными запасами угля, становится импортёром продуктов углехимии, в том числе для оборонной промышленности.

Характерным примером развития углехимии является Китай, где за последние 10 лет годовая добыча и потребление угля увеличились с одного до четырёх миллиардов тонн, и при этом резко возросла доля глубокой переработки.

Китай развивает углехимическое производство и науку по всем известным направлениям:
— выделение органических компонентов углей химическими методами;
— прямое ожижение в жидкие продукты;
— газификация для получения синтез газа;
— производство моторных топлив из синтез-газа;
— производство метанола, гликолей и диметилового эфира;
— получение бензина через метанол;
— производство олефинов и полимеров.

Из бурых, фюзенизированных и окисленных каменных углей получают ароматические дикарбоновые кислоты, являющиеся сырьём для получения фталевого ангидрида, химических синтезов, полиэфирных смол.

Из сапропелитовых углей и горючих сланцев получают алифатические моно- (С6-С24) и дикарбоновые (С6-С12) кислоты, а из липтобиолитовых углей — смесь алифатических и ароматических кислот, которые составляют сырьё для получения алкидных смол, защитных покрытий, лаков, красок, органических связующих, флотореагентов и т. д.

Из бурых углей производят гуминовые кислоты, гуматы и горный воск, которые в свою очередь являются ценным химическим сырьём для производства адсорбентов и абсорбентов, керамики, компонент аккумуляторов, пеногасителей, формовочных смесей для литейного производства, битума и композиционных материалов, жидких и консистентных смазок, многих видов красок, резины, бумаги, косметических и лекарственных средств, продуктов тонкого органического синтеза, биологически активных веществ и др.

К этому необходимо добавить, что ценнейшие побочные продукты производства металлургического кокса — каменноугольную смолу и пек — следует рационально использовать в производстве анодного материала для алюминиевой промышленности и в производстве углеродного моноволокна и углеродных адсорбентов (активированных углей) для оборонной и ракетно-космической промышленности.

В Российской Федерации отсутствуют эффективные механизмы стимулирования бизнеса к инвестированию в НИОКР . Существенным сдерживающим фактором для инвестирования в НИОКР является сложность действующей системы отнесения этих затрат на себестоимость.

Недостаточно осуществляется государственная поддержка развития углехимической промышленности. Отсутствуют механизмы, позволяющие учитывать экономические интересы производителей и стимулирующие их к достижению более глубокой переработки углеводородного сырья, в том числе за счёт модернизации производства.

В институциональном плане имеет место низкая эффективность взаимодействия и координации деятельности государственных учреждений, научных и образовательных организаций, а также компаний-производителей. Отсутствует единое понимание приоритетов развития НИОКР и механизм координации.

Инновационные возможности углехимических технологий, как правило, не закладываются в новые проекты и разработки, в регламенты и стандарты, чем обеспечивается всё большее отставание как базовых, так и приоритетных отраслей промышленности от современного технологического уровня.

Это зачастую обусловлено отсутствием подготовленного руководящего и инженерно-технического персонала, который по своей квалификации способствовал бы внедрению технологических новаций в технологические процессы и в выпускаемую продукцию. Происходит сокращение подготовки научных и инженерных кадров по глубокой переработке угля и углехимии.

Не осуществляется анализ и мониторинг деятельности углехимических предприятий. Информация, содержащая базы данных по номенклатуре и объёмам выпускаемой углехимической продукции и потребляемой в различных отраслях экономики, а также ввозимой в страну по импорту в ответственных за развитие отрасли ведомствах, отсутствует.

Отсутствует также информация о потребностях в настоящее время и на перспективу экономики страны в продуктах углехимического производства с высокой добавленной стоимостью и их номенклатуре.

На современном этапе социально-экономического развития РФ необходимо значительно увеличить часть продукции угледобычи, направляемую на экономически эффективную глубокую химическую переработку, что требует системного и экономически обоснованного развития всех этих направлений.

Сибирское отделение РАН выполнило в 2009-2014 гг. работу по усилению фундаментальных научных исследований в области углехимии: организован Институт углехимии и химического материаловедения; в Кемеровском научном центре СО РАН создан и оснащён современным оборудованием Аналитический центр коллективного пользования. Центр укомплектован кадрами за счёт выпускников КемГУ и КузГТУ.

В Кемеровской области сформирован кластер «Комплексная переработка угля и техногенных отходов». Резиденты Кузбасского инновационного кластера осуществляют свою деятельность по следующим направлениям глубокой переработки каменного угля:

— газификация угля с получением химических полупродуктов,
— коксохимия, с получением металлургического кокса и химических полупродуктов),
— углеродные материалы, в том числе углеродные адсорбенты (получение высокорентабельных наноматериалов из угля),
— получение электроэнергии (технологии и оборудование для экологически чистого и эффективного сжигания угля),
— переработка отходов (технологии возврата техногенных отходов в хозяйственный оборот с получением строительных материалов).

В 2014-2015 гг. Минэнерго России, Минэкономразвития России, Минпромтог России, Минобрнауки России, ФАНО России в рамках исполнения Комплекса мер по развитию улехимической промышленности и увеличению объёмов производства продуктов углехимии подготовили предложения по:
• включению технологий глубокой переработки угля в перечень критических технологий Российской Федерации;
• развитию производства активированных углей для средств индивидуальной и коллективной защиты;
• мерам поддержки развития пилотных инновационных территориальных углехимических кластеров, предусматривающих в том числе использование действующих инструментов государственной политики, методическое, организационное, экспертно-аналитическое сопровождение их развития;
• внесению изменений в Перечень технологического оборудования (в том числе комплектующих и запасных частей к нему), аналоги которого не производятся в Российской Федерации, ввоз которого на территорию Российской Федерации не подлежит обложению налогом на добавленную стоимость.

Проведена работа по определению существующих потребностей и перспективных объёмов потребления продукции углехимии по секторам экономики Российской Федерации, оценка необходимых технологических, производственных и сырьевых ресурсов, анализ спроса и предложения мировых рынков.

Все эти вопросы обсуждались на Всероссийской научно-практической конференция «Перспективы развития углехимии в России: наука, технологии и производства», которая прошла 25-27 января 2016 года в Кемерове.

На конференции было рассмотрено современное состояние углехимической науки и перспективы развития углехимического производства в России и в мире, а также результаты выполнения комплекса мер по развитию улехимической промышленности и увеличению объёмов производства продуктов углехимии.

К слову

Институт углехимии и химического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук создан в 2010 году.

Основным направлением деятельности института является выполнение фундаментальных научных исследований и прикладных разработок в области глубокой переработки угля, углехимии, химии углеродных материалов, композитов и наноструктур, соответствующих критическим технологиям РФ:

• технологии энергоэффективного производства и преобразования энергии на органическом топливе;
• технологии переработки и утилизации техногенных образований и отходов;
• технологии новых и возобновляемых источников энергии, включая водородную энергетику;
• технологии получения и обработки функциональных наноматериалов.

В 2015 году в результате реорганизации институт углехимии и химического материаловедения со ран вместе с институтом угля со ран и институтом экологии человека со ран вошли в состав Федерального исследовательского центра угля и углехимии со ран (ФИЦ УУХ СО РАН), созданного под руководством академика А.Э. Конторовича на базе кемеровского научного со ран.

Цель создания ФИЦ УУХ СО РАН — научное обеспечение и сопровождение дальнейшего развития угольной и углехимической отраслей промышленности России по всей цепи производств от добычи и глубокой переработки угля до рекультивации и создания экологически комфортной среды жизни в угледобывающих регионах, обеспечение угольной и углехимической отраслей национальными технологиями, оборудованием и системами управления мирового уровня.

С самого момента создания ИУХМ СО РАН возглавляет член-корреспондент ран З. Р. Исмагилов. институт является активным членом Технологических платформ РФ: Твёрдые полезные ископаемые, технологии экологического развития, радиационные технологии, глубокая переработка углеводородных ресурсов. Институт является основным разработчиком регионального кластера «комплексная переработка угля и техногенных отходов в кемеровской области», утвержденного постановлением правительства рФ № ДМ-П8-5060 от 28.08.2012 г.

Деятельность института полностью соответствует задачам, поставленным президентом РФ В. В. Путиным на заседании комиссии при президенте РФ по вопросам стратегии развития топливно-энергетического комплекса и экологической безопасности, состоявшемся в г. Кемерово 26 августа 2013 г. (№ А60-26-569), и поручению правительства РФ (АД-П9-7970 от 7.11.2013 г.), направленных на создание научных основ и развитие передовых технологий глубокой переработки угля и углехимии.

В настоящее время по поручению ФАНО России Институт участвует в реализации комплекса мер по развитию углехимической промышленности и увеличению объемов производства продуктов углехимии, утвержденного заместителем председателя правительства РФ А. В. Дворковичем № 5327П-П9 от 20 августа 2014 г.

---

За последние годы ИУ ХМ выполнил капитальный ремонт своих лабораторий, было закуплено современное аналитическое оборудование, проведены мероприятия по обучению и повышению квалификации научных сотрудников Института.

Результатом такого обновления явились новые проекты Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований, Министерства образования и науки Российской Федерации, Министерства энергетики Российской Федерации, предприятий реального сектора экономики, в которых активно участвуют как сотрудники, так и аспиранты института.

Несколько лет тому назад начаты работы по комплексному исследованию углей Сибири. Разработаны научные основы инструментальных методов исследования химического и фазового состава, структуры, текстуры и морфологии углей и углеродных материалов.

Создан банк данных об углях Кузбасса с полным техническим анализом, с геологической и промысловой характеристиками объектов, и ведётся его наполнение. Номенклатура образцов уже включает угли более чем с 15 угольных предприятий Кузбасса.

Подобный банк в Сибири создаётся впервые и является насущной необходимостью для угольной науки, для создания угольных и углехимических технологий. Конечным результатом создания банка углей является полная паспортизация образцов по показателям, унифицированным с зарубежными коллекциями, позволяющим проводить сертификацию углей на современном уровне.

Создан стенд для комплексной переработки бурых и окисленных углей. При работе в этом направлении были исследованы и разработаны методы получения гуминовых веществ и гуматов из бурых и естественно окисленных каменных углей Кузбасса.

Разработана технологическая схема и создан стенд для масштабных научных исследований, наработки опытных партий образцов и выдачи базовых проектов по получению гуминовых препаратов, ориентированных на конкретные угли Кузбасса и Красноярского края.

Научно обосновано и экспериментально доказана эффективность использования гуматов Na и K для стимулирования всхожести семян.

На протяжении пяти сезонов, совместно с аграрными НИИ , выполнены деляночные опыты, показывающие повышение урожайности зерновых культур на 30-40%. Ведётся работа над организацией опытно-промышленного производства гуминовых препаратов из различных бурых углей Кузбасса и наработка опытных партий гуминовых препаратов в количестве до 1 Т каждый.

Выполнен технический анализ и полный цикл исследований свойств барзасского угля современными физико-химическими методами. Разработана технология каталитической автоклавной гидрогенизации сапропелитовых углей и сланцев для получения жидких углеводородов и моторных топлив.

Эта технология позволяет получать углеводороды жирного ряда непосредственно в ходе одной стадии гидрогенизации. Лабораторные испытания на установке показывают, что данная технология позволяет достигнуть 90% степень превращения угля в жидкие продукты при рабочем давлении в реакторе не более 5-5,5 МПа и температуре 350-390 °С.

Разработаны методы нано-реакторного синтеза медицинских препаратов из компонентов каменноугольной смолы. Работы базируется на результатах фундаментальных исследований, в которых показано, что в нано-реакторах многократно ускоряются процессы теплопередачи и доставки реагирующих молекул друг к другу.

Это приводит к резкому повышению скорости и селективности химических превращений, способствует возможности создания высокопроизводительных и безотходных технологий. Полученные результаты открывают перспективы применения нано-реакторов для создания процессов глубокой переработки угля с целью получения малотоннажных химических продуктов и прекурсоров медицинских препаратов.

Нано-реакторный синтез пиридин-карбоновых кислот из алкилпиридинов каменноугольной смолы позволяет получать современные противотуберкулезные препараты при атмосферном давлении и температурах 25-30 °С. В частности, методом  нанореакторного озонолиза изохинолина — компонента фракции тяжелых пиридиновых оснований перегонки каменноугольной смолы была получена цинхомероновая кислота — прекурсор противотуберкулезных препаратов.

Проведены исследования модифицированных образцов алюмосиликатной микросферы нескольких тепловых электростанций для использования их в качестве сорбента по извлечению нефтепродуктов из загрязнённых вод (Западно-Сибирской ТЭЦ, Беловской ГРЭС, Ново-Кемеровской ТЭЦ).

Выявлено, что степень очистки воды от поверхностного слоя нефтепродуктов при использовании модифицированной микросферы в качестве сорбента составляет 99,99 мас. %.

На основании дополнительных исследований предложены другие эффективные области использования модифицированных марок золы уноса с различной удельной поверхностью —для приготовления катализаторов, создания селективных сорбентов, использования в качестве наполнителя композиционных материалов с низкой плотностью. Работа проводится совместно с ОАО «Западно-Сибирский испытательный центр» (г. Новокузнецк).

Разработана методика определения индивидуальных представителей ПАУ в углях, и стадии их ультразвуковой экстракции в органический растворитель (дихлорметан) и их анализ методами ВЭЖХ и ГХ/МС.

Этим методом исследованы образцы углей кузбасского угольного бассейна от длиннопламенного (Д) до отощенно-спекающегося (ОС), в совокупности представляющие основной ряд метаморфизма каменных углей. уголь как объект изучения представляет собой сложное природное многокомпонентное вещество.

К его компонентам также относятся полициклические ароматические углеводороды (ПАу), которые являются экотоксикантам. изучение содержания ПАУ в углях может быть использовано для определения степени токсичности сырья, продукции и атмосферного воздуха угледобывающих и углеперерабатывающих предприятий.

Также, разработанная методика и получаемые результаты являются основой для установления тонкой структуры строения органической части углей, их качественный и количественный состав.

Разработан способ получения из каменных углей сорбентов с высокой удельной поверхностью и создается опытно-экспериментальный стенд по разработке технологий переработки низкосортных углей и углеотходов в высокоэффективные сорбенты.

Главная задача создания стенда — это отработка технологических режимов получения высокоэффективных сорбентов различного вида (порошковые, гранулированные, дробленые), наработка укрупненной опытной партии продукта для проведения его паспортизации и испытаний в реальных условиях (например, на очистных сооружениях).

На основании проведённых работ будут отработаны технологические режимы производства, создан технологический регламент на производство промышленных партий активных углей; проведена паспортизация и сертификация образцов углеродных сорбентов.

Учёные института занимаются подготовкой молодых кадров. В ИУХМ ФИЦ УУХ СО РАН проходят практику студенты ВУЗов кемеровской области.

Научно-техническая библиотека института располагает уникальным фондом (более 25 000 единиц хранения) специальной литературы по химии и химической переработки угля и имеет доступ к большинству электронным научным информационным полнотекстовым ресурсам отечественных и зарубежных издательств.

В целом, институт находится в стадии устойчивого развития и нацелен на достижение стратегических национальных приоритетов российской Федерации.

---

Текст и фото: Алексей Козлов, к.х.н., заместитель директора по направлению углехимии и химического материаловедения Федерального исследовательского центра угля и углехимии СО РАН