Современное состояние углехимической науки и предложения по развитию углехимического производства в России

в рамках Крупного научного проекта

«Современная фундаментальная углехимия, научно-технологические основы глубокой переработки углей и создания функциональных и конструкционных углеродных материалов для научного обеспечения прорывного развития углехимической отрасли в Российской Федерации»

     До 1990 года в РСФСР производилось свыше 20 тыс. наименований выпускаемой по ГОСТам химической продукции из угля, нефти и газа гарантированного качества.
   
Сейчас отечественные предприятия производят в совокупности только 500-600 наименований продукции прежнего ассортимента. В стране слабо развита малотоннажная химическая промышленность и химия реактивов. Продукция этих подотраслей химического производства обладает высокой добавленной стоимостью. Именно в этом сегменте производятся сорбенты, углеродные наноматериалы, материалы для топливных элементов, суперконденсаторов, низковольтной электроники, катализаторы, прекурсоры для фармацевтической промышленности, углеродные нановолокна и композиционные материалы на их основе для авиационной, ракетно-космической оборонной продукции. 
   
В странах с развитой экономикой в последние четверть века интенсивно развивавшаяся химическая промышленность производит около 200 тыс. продуктов. Работают или находятся в состоянии строительства несколько десятков опытно-промышленных и промышленных установок по газификации, производству синтетических жидких топлив и химической продукции из угля в Китае, США, Индии, Германии, ЮАР, Австралии. 
    Китай интенсивно развивает углехимическую науку и производство 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.
  • производство гуминовых кислот из бурых углей, гуматы и горный воск, которые в свою очередь являются ценным химическим сырьем 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;
  • производство алифатических моно – (С624) и дикарбоновых (C6Ci2) кислот, – смесь алифатических и ароматических кислот, для получения алкидных смол, защитных покрытий, лаков, красок, флотореагентов и т.д.

    Единичные мощности углехимических производств (метанол, ДМЭ, олефины, полимеры и др.) в Китае составляют до 1 -1,5 млн. тон. При общем объеме до 100 млн.тон. 
   
В Советском Союзе, начиная с 30-х годов XX века, углехимическое производство развивалось по всем направлениям, однако многие технологии утеряны и полномасштабное развитие получило только коксохимическое направление. 
   
Производство кокса является основным источником широкого набора химического сырья, которые уникальны по своему составу, отличаются высокой концентрацией ароматических соединений, в особенности полициклических ароматических углеводородов и гетероароматических соединений. Ценнейшие побочные продукты производства металлургического кокса – пек и каменноугольную смолу, являющуюся сложной смесью нескольких тысяч соединений, в которых идентифицировано более 500 различных веществ, как нейтральных полициклических ароматических углеводородов, так и гетероароматических соединений, фенолов и оснований необходимо 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. 
   
При этом при наличии значительных резервов по переработке каменноугольной смолы, в России наблюдается дефицит пека, нафталина, каменноугольных масел и ароматических углеводородов. 
   
За последние 25-30 лет Россия в целом потеряла свои позиции одного из лидеров в области углехимического производства, уступив Китаю, США, Индии и другим странам. Складывается ситуация, когда Российская Федерация, обладая огромными запасами угля, становится импортером продуктов углехимии. 
   
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 механизма координации. 
   
Вследствие практически полной ликвидации отраслевых институтов и конструкторских бюро инновационные возможности углехимических технологий, как правило, не закладываются в новые проекты и разработки, регламенты и стандарты; создание новых производств по выпуску химической, нефтехимической и углехимической продукции, а также модернизация действующих производств осуществляются в основном по зарубежным технологиям с использованием импортного оборудования, что приводит всё к большему отставанию как базовых, так и приоритетных отраслей промышленности от современного мирового технологического уровня. 
   
В 2009-2019 годах Сибирское отделение РАН выполнило работу по усилению фундаментальных научных исследований в области углехимии. В 2010 году организован Институт углехимии и химического материаловедения, который в 2015 году вошел в состав Федерального Исследовательского Центра (ФИЦ) угля и углехимии СО РАН, целью деятельности которого является проведение и координация фундаментальных, поисковых и прикладных научных исследований в областях теории и технологий рационального, эффективного и безопасного освоения угольных месторождений, глубокой переработки угля, углехимии, химии углеродных материалов, композитов и наноструктур; участие в образовательной и инновационной деятельности, способствующих развитию угольной и углехимической промышленности Российской Федерации. 
    Центр коллективного пользования ФИЦ оснащен современным аналитическим оборудованием (http://www.iccms.sbras.ru/cas).

 

Прогнозы и новые рубежи.

    Прогнозируя потребление продукции углехимии на внутренних и мировых рынках, выявлены следующие тенденции:

  • при глубокой переработке каменноугольной смолы возможно выделение соединений, содержащиеся в смоле в количествах ниже 10 мас.% и до 0,01 мас.%, имеющих высокую рыночную стоимость. Как показывает расчет, суммарная стоимость продуктов, которые можно извлечь при максимально глубокой переработке каменноугольной смолы, производимой РФ составляет около 7 трлн. рублей. Суммарное содержание этих продуктов составляет приблизительно 380 тыс. тонн в смоле, производимой в РФ в год (около 1 млн. тонн);
  • прогнозируется увеличение спроса на электродный пек на внутреннем рынке на 150-200 тыс. тонн до 600 тыс. тонн к 2025 г. При условии ввода дополнительных производственных мощностей, объем дополнительных продаж пека может составить около 4 млрд. руб. При замене импортного кокса (импорт 180 тыс. тонн) собственным объем дополнительных продаж составит 3,4 млрд. руб. Всего – 7,4 млрд. руб.;
  • в РФ отсутствует собственное производство горного воска и восковых составов, а также крупное производство гуматных удобрений, потребности покрываются за счет импорта. Дефицит в стране только горного воска-сырца по экспертным оценкам превышает 5 тыс.тонн./год. Учитывая мировой объем производства восков в 3120 тыс. тонн и сложившиеся цены, объем возможных продаж в России составляет от 1 до 60 млрд. руб.;
  • прогнозируется увеличение объема потребления активированного угля в России до 100 тыс. тонн к 2025 г. При вводе новых производственных мощностей и замене импортного активированного угля на собственный, возможно получение дополнительных продаж на сумму около 3,5 млрд. руб.;
  • к 2025 г. в РФ прогнозируется увеличение производства технического углерода на 350 тыс. тонн и составит 1150 тыс. тонн. Увеличение производства необходимо осуществлять за счет существующих российских предприятий, при этом возможно получение дополнительных продаж на сумму около 13 млрд. руб.


   
В связи с тем, что добыча угля растет и составляет 440 млн. тонн можно рекомендовать получение из угля жидких продуктов с использованием технологии газификации. Это позволит направить на переработку значительную долю энергетических углей, спрос на которые в последние годы снижается. Опытным полигоном для создания демонстрационных установок газификации большой мощности целесообразно выбрать Кузнецкий угольный бассейн, где добывается почти 60% от общей добычи во всех регионах страны. 
    Создание одной установки позволит перерабатывать ежегодно до 5-6 млн. тонн угля с получением 1 млн. тонн жидкого топлива.
    Дальнейшее продолжение работ по обоснованию научных основ, усовершенствованию разработанных и созданию новых технологий, а также их реализации в промышленных условиях необходимо осуществлять на основе единой государственной программы, содержащей следующие основные разделы (этапы):

  • дополнительные исследования по отдельным направлениям переработки углей, так как по многим направлениям переработки существенно изменилась сырьевая база;
  • строительство и эксплуатация опытных установок по отработке базовых технологий приоритетных направлений с выдачей исходной информации для разработки технологического регламента и проектно-сметной документации;
  • создание базовых технологий на опытных стендах, опытно-промышленных установках, с последующей реализацией промышленных масштабах.

    Только в этом случае может быть успешно решена проблема эффективного использования углей: повышения качества и увеличения ассортимента продуктов, выпускаемых угольной промышленностью, и достигнута цель, сформулированная в государственной программе «Энергетическая стратегия России на период до 2035 года».

 

    Для комплексного развития углехимии и углехимических производств на основании мирового опыта ФИЦ УУХ СО РАН рассматривает следующие приоритетные направления:

  1. Разработка научных основ инструментальных методов исследования химического и фазового состава, структуры, текстуры и морфологии углей и углеродных материалов.
  2. Паспортизация углей Российской Федерации по их физико-химическим свойствам и создание научного банка данных углей Кузбасса и РФ.
  3. Газификация и пиролиз углей разных генетических типов и горючих сланцев для получения синтез-газа, первичных жидких органических продуктов, синтез широкого набора органических соединений и компонентов моторных топлив из синтез-газа, в том числе высокоплотных реактивных топлив. Получение водорода для развития водородной энергетики.
  4. Новые высокоэнергетические физические методы воздействия на угли: плазма, лазеры.
  5. Каталитическая гидрогенизация углей и сланцев.
  6. Высокотемпературные процессы переработки углей, в том числе производство металлургического кокса, полукокса, игольчатого кокса, каменноугольной смолы (КУС), ректификация КУС, выделение и очистка фракции БТК (бензол, толуол, ксилол), выделение соединений по группам, а также получение индивидуальных ароматических соединений для синтеза лекарственных препаратов, в том числе для синтеза пиридикарбоновых кислот (никотиновой кислоты).
  7. Синтез наноуглеродных материалов для низковольтной электроники, углеродного моноволокна и углеродных композиционных материалов для авиационной и космической промышленности из продуктов коксохимии и методами физико-химического воздействия на угли.
  8. Исследование свойств бурых углей, и разработка низкотемпературных технологий экстракции химических веществ для получения гуминовых препаратов, восков и соединений для малотоннажной химии, органического синтеза в медицинской химии, стимуляторов роста в сельском хозяйстве и рекультивации нарушенных земель в рамках гармоничного взаимодействия человека и природы.
  9. Разработка методов и технологий получения углеродных сорбентов из ископаемых углей для индивидуальной и коллективной защиты, очистки газовых выбросов теплоэнергетического комплекса, коксохимических и металлургических предприятий, тонкой очистки питьевой воды и товарных газов, высокоэффективных энтеросорбентов и гемосорбентов для медицины и животноводства.
  10. Исследование метана угольных пластов, возможности образования газовых гидратов, каталитическая утилизация шахтного метана с получением ценных продуктов.
  11. Научные основы и рациональные методы утилизации отходов добычи и переработки углей, летучей золы и золошлаковых отходов, извлечение благородных металлов и редкоземельных элементов.
  12. Научные основы технологий для экологически чистого и эффективного сжигания низкокалорийных углей, отходов угледобычи и углеобогащения и шахтного метана, в том числе каталитические технологии для снижения экологической нагрузки на окружающую среду (ФИЦ УУХ СО РАН, ФИЦ ИК СО РАН).

    С целью обеспечения устойчивого развития углехимической отрасли и увеличению объемов производства продуктов углехимии, необходимо выполнение следующих мероприятий:
    I. рекомендовать Правительству Российской Федерации, Минобрнауки России, Минэнерго России, Минпромторгу России::

  1. включить технологии глубокой переработки угля в перечень критических технологий Российской Федерации;
  2. создать программу и консорциум из нескольких научных коллективов реально располагающими кадрами, оборудованием и компетенциями в газификации твердых топлив, углехимии и катализе. В первую очередь это ФИЦ УУХ СО РАН, ТПУ, Институт катализа СО РАН, ИНХС РАН, ИПКОН РАН и 25-ый НИИ с привлечением других специалистов из Москвы, Екатеринбурга, Новосибирска, Томска, Красноярска и Кемерово.
  3. Программу, состоящую из 4-5 наиболее перспективных проектов согласовать с Администрацией Кузбасса и угольными компаниями и включить эти проекты в КНТП «Чистый уголь-Зеленый Кузбасс».
  4. возложить на Федеральный исследовательский центр угля и углехимии СО РАН функции единого всероссийского научно-технического координационного центра научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области углехимии.
  5. разработать раздел «Углехимия» и включить его в дополнение к Программе развития угольной промышленности России на период до 2035 года.
  6. увеличить количество тем по углехимии в государственном заказе на выполнение НИР, увеличить объем работ по углехимии и укрепить финансированием и оборудованием следующие Институты: ИОХ РАН, ИНХС РАН, ИОС УрО РАН, ФИЦ ИК СО РАН, ФИЦ УУХ СО РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН, ВУХИН, ИПКОН РАН, МИСиС, РХТУ имени Д.И.Менделеева, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина», УПИ имени С.М. Кирова, КузГТУ;
  7. рекомендовать Минобрнауки России возобновить подготовку научных и инженерных кадров по направлению технологий твердого топлива и углехимии в ВУЗах страны.

Поделиться ссылкой: