Обогащайте! Новые технологии подстегнут угольную промышленность.

“Российским вузам сегодня приходится жестко конкурировать, они борются как за абитуриента, так и за работодателя. Для успеха нужны не только качественное образование, но и хорошо организованные научные исследования, нацеленность на внедрение разработок. В нашем Кузбасском государственном техническом университете иначе и быть не может, он работает в промышленном регионе и обязан откликаться на запросы производственников и предлагать им свои инновационные идеи”, — начинает свой рассказ директор Института химических и нефтегазовых технологий КузГТУ, доктор химических наук, профессор Татьяна Черкасова. 

ИХНТ — в числе самых активных научных и инновационных структур университета. Кафедры института выполняют НИР в сферах химии и технологии новых функциональных материалов, углехимии, нефтехимии, инженерной защиты окружающей среды, то есть охватывают все области химической технологии, которые действуют в реальном секторе экономики региона. 

Так, уже не один год ученые института выполняют исследования для кемеровских “Азота” и “Кокса”, “Евраза ЗСМК” (Новокузнецк), “Алтай-Кокса” (Заринск). В последнее время разрабатывались нетрадиционные методы получения и очистки бензола коксохимических производств, новые комплексные методы водоподготовки и очистки сточных вод коксохимических производств, комплексной переработки техногенных углеродсодержащих отходов и т.д.

Одно из главных направлений в научно-исследовательской работе ИХНТ — углехимия. 

— Уголь по-прежнему остается одним из базовых элементов современного мирового топливно-энергетического баланса, наиболее эксплуатируемым природным энергоносителем. Однако проблема в том, что он чаще всего сжигается. Или, в лучшем случае, перед сжиганием подвергается простому механическому обогащению, — говорит Татьяна Черкасова. — При этом традиционное использование угля серьезно угрожает экологии: к примеру, территория Кемеровской области перегружена отходами от сжигания угля, которых ежегодно образуется 150-160 миллионов тонн. Неудивительно, что сегодня эту проблему поднимают на самых разных уровнях. Напомню про недавние дискуссии о “полезности угля” в рамках обсуждения рамочной конвенции ООН об изменении климата, а также о предложении создать в Восточной Сибири безуглеродную зону, отказавшись от угольной генерации.

По нашему мнению, уголь необходимо рассматривать как комплексное сырье, содержащее ценные редкие и рассеянные металлы, извлечение которых создает продукты с высокой добавленной стоимостью. Так, в разведанных запасах кузбасских углей содержится свыше 55 элементов таблицы Менделеева — от лития до урана.

Сейчас производство редкоземельных элементов ограничено, так как связано со значительной сложностью и затратностью существующих технологических процессов извлечения. Например, в целом в России находится не менее 17-20% мировых запасов редкоземельных элементов (второе место в мире), но добыча сырья составляет всего порядка 2% от мировой. Без реализации новых проектов она упадет в ближайшие годы ниже 1,5%. Выпуск изделий с редкоземельными металлами в России сегодня — менее 1%. Вместе с тем эти металлы просто необходимы для развития высокотехнологичных производств.

Разработка высокоселективных технологий для выделения редкоземельных элементов из угля и создание на их основе новых функциональных материалов — актуальные задачи как с экономической, так и с экологической точки зрения.

Или взять такой момент. Сегодня применяются технологии по переработке и утилизации низкосортных углей и отходов углеобогащения по отдельным направлениям — гранулирование, брикетирование, сжигание и т.д. Они малоэффективны из-за высокого содержания в данных отходах минеральных примесей. А значит, актуален вопрос о разработке высокоэффективного технологического процесса комплексной переработки низкосортных углей и отходов углеобогащения.

ИХНТ участвует в различных грантовых конкурсах. Как отмечает Т.Черкасова, в нынешних экономических реалиях гранты не только повышают авторитет ученого, но и являются источником дополнительных денег как на оплату работы, так и на модернизацию научного оборудования. В 2014 году Институт химических и нефтегазовых технологий выиграл трехлетний грант на 15 миллионов рублей в конкурсе научных проектов Министерства образования и науки. Исследование посвящено разработке высокоэффективного технологического процесса комплексной переработки низкосортных углей и отходов углеобогащения с получением низкозольного углемасляного концентрата, композитных видов топлива, редкоземельных и рассеянных элементов. За прошедшее время проведены исследования процессов получения композиционных видов топлив из концентратов обогащения и извлечения редких и рассеянных элементов из хвостов обогащения твердых углеродсодержащих отходов.

В лаборатории термодинамики многофазных систем был разработан экспериментальный стенд по обогащению угольных шламов методом масляной агломерации, где можно перерабатывать угольные частицы менее одного миллиметра: минеральные компоненты отделяются от органической части угля. В качестве реагентов идут в ход отработанные масла машин коксохимического производства. Имея шлам с зольностью 40-50%, можно получить концентрат с зольностью в 10 раз меньше — 4,5-5%. При этом созданное на основе угольных отходов топливо — брикеты, гранулы и пеллеты с заданными характеристиками — будет безопасным для окружающей среды, практически без пыли и сажи, и по своим тепловым характеристикам более продуктивным. Иными словами, отходы вновь возвращаются в производство.

В грантовом проекте участвуют преподаватели кафедры химии, технологии неорганических веществ и наноматериалов, работающие в лаборатории химии координационных соединений и функциональных материалов и кафедры химической технологии твердого топлива, привлекались и студенты, интересующиеся научными исследованиями.

Разработанная в ИХНТ технология включает следующие стадии: сгущение угольных шламов, обогащение угольных шламов и низкосортных углей, получение из концентратов обогащения композитных видов топлив, извлечение редкоземельных и рассеянных элементов. Эта технология позволит извлекать из низкосортных углей и отходов углеобогащения до 84% органической массы.

Кроме того, предлагаемый комплексный подход к переработке низкосортных углей и отходов углеобогащения позволит сократить количество шламонакопителей и гидроотвалов, расширить сырьевую базу для коксохимических производств и энергетики (например, получать низкозольный углемасляный концентрат), значительно сократить потери топлива при его обогащении, получать ценные и редкоземельные элементы, повысить экономическую эффективность угледобывающих предприятий. Также это должно способствовать улучшению экологической ситуации в угледобывающих регионах.

С 2014 года ИХНТ участвует и в реализации масштабного международного проекта по снижению вредных выбросов в атмосферу от тепловых электростанций. Эта работа выполняется КузГТУ вместе с Шандуньским научно-техническим университетом (Китай), Институтом катализа им. Г.К.Борескова СО РАН (Новосибирск) и Институтом углехимии и химического материаловедения СО РАН (Кемерово) в рамках Федеральной целевой программы “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы”. Цель проекта — разработка эффективной технологии снижения содержания оксидов серы и азота, а также ртути в дымовых газах тепловых электростанций угольной генерации.

Активное участие в этой работе принимает кафедра углехимии, пластмасс и инженерной защиты окружающей среды ИХНТ. В частности, в ходе исследований выяснилось, что перспективными методами для удаления загрязняющих веществ из дымовых выбросов электростанций угольной генерации являются сероочистка на стадии горения угольного топлива за счет введения серопоглощающих агентов в зону горения, каталитическая и сорбционная очистка газовых выбросов. Также был разработан экспериментальный стенд, предназначенный для исследования процессов очистки газовых выбросов, и методика приготовления образцов катализаторов на основе титана, вольфрама и ванадия, приготовлена и испытана в лабораторных условиях партия блочных катализаторов, которые могут использоваться в процессе нейтрализации оксидов серы и азота в дымовых газах. Теперь главная задача — подобрать оптимальные по составу катализаторы и адаптировать их для использования на кузбасских электростанциях и в котельных.

В рамках работы над этой темой в Институте химических и нефтегазовых технологий была открыта научно-исследовательская лаборатория каталитической очистки дымовых газов, для которой приобретены современные приборы и оборудование, в том числе установки восстановления оксидов серы и оксидов азота, а также уникальный хромато-масс-спектрометр для анализа газов атмосферного давления американского производства — КузГТУ получил его первым в Кузбассе.