С начала второго полугодия 2024 года на мировом рынке метанола обозначился устойчивый рост цен. По азиатско-тихоокеанскому региону в третьем квартале они увеличились на 18% к соответствующему прошлогоднему периоду. Изменение экономической конъюнктуры вызвало всплеск интереса к разработке ученых Санкт-Петербургского горного университета императрицы Екатерины II – ресурсосберегающему реактору для производства синтез-газа, который впоследствии может быть переработан в метанол.
Проект разработан в Образовательном центре «Цифровые технологии». До февраля 2022 года работы велись в рамках совместной научной программы с Фрайбергской горной академией. Этот немецкий вуз является одним из ведущих мировых исследовательских центров в области газификации угля. Санкт-Петербургский горный университет занимается научными проектами в угольной тематике практически со времени своего основания в 1773 году. Здесь ещё в 1916-м была создана первая в России лаборатория по исследованию обогатимости руд и углей. В 1930-е сформировалась научная школа по подземной разработке угольных и рудных месторождений, шахтному строительству и горной механике.
Ректор Санкт-Петербургского горного университета и профессор, экс-ректор Фрайбергской горной академии, Бернд Майер в 2017 году опубликовали совместную двуязычную монографию «Производство синтез-газа: современное состояние и возможности внедрения в российской промышленности».
В Санкт-Петербурге прошла презентация книги ректора Горного университета Владимира Литвиненко и профессора Фрайбергской горной академии Бернда Майера «Производство синтез-газа: современное состояние и возможности внедрения в российской промышленности».
Среди недавних достижений можно назвать, например, создание профильного программного обеспечения и изготовление на площадке компании «Горный инструмент» нескольких комплектов инновационных шнеков для угольных шахт Кузбасса и Республики Коми.
Инновационная модель ресурсосберегающего реактора для производства синтез-газа относится к числу наиболее перспективных разработок Санкт-Петербургского горного университета. Она высоко оценена на нескольких представительных научных выставках (золотая медаль и диплом 1 степени XXXVII Международной выставки инноваций «HI TECH 2021», диплом VIII ежегодной национальной выставки «ВУЗПРОМЭКСПО –2021», бронзовая медаль и диплом XXV Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2022», серебряная медаль и диплом 2 степени XXXVIII Международной выставки инноваций «HI TECH 2022»).
Авторские права разработчиков ресурсосберегающего реактора для производства синтез-газа подтверждены двумя патентами на полезную модель: «Мультизонный газификатор кипящего слоя» и «Газификатор переработки твердого низкосортного углеродсодержащего сырья». Первая из указанных технологий позволяет, например, на 17-20% сократить потребность в электроэнергии по сравнению с представленным сегодня на рынке коммерческим продуктом компании SIEMENS.
Для моделирования процесса газификации ученые использовали современные междисциплинарные подходы с использованием программных пакетов Ansys Fluent и Rocky DEM, а для моделирования технологических цепочек Aspen Plus и Aspen Hysys. Разработчики установили, что наиболее рентабельной схемой является организация производства вблизи угольной электростанции с использованием вырабатываемой на ней тепловой и электрической энергии. Расчеты проводились, в частности, для кузбасских углей. Дальнейшая переработка синтез-газа для получения продуктов с более высокой добавленной стоимостью, таких как метанол, аммиак, синтетическое топливо и другие, даст дополнительный прирост экономической эффективности проекта.
Технология позволяет вводить в состав сырья наряду с углем и углесодержащие отходы. Компания «Российские железные дороги» уже заинтересовалась возможностью получить экономию на утилизации отработанных деревянных шпал. Они обработаны различными токсичными веществами, которые при сжигании загрязняют воздух и землю. Поэтому утилизация шпал весьма дорога.
На сегодняшний день в мире подвергается газификации более 170 миллионов тонн угля в год, что соответствует примерно половине годовой добычи угля в России. За период с 2015 по 2025 год совокупная термическая мощность соответствующих производств увеличилась со 147 до 500 гигаватт. Помимо упомянутой компании SIEMENS технологиями газификации угля занимается также, например, крупна немецкая инжиниринговая компания Thyssenkrupp Industrial Solutions. Промышленные газогенераторы работают в Японии, Германии, ЮАР и других странах.
«Большинство газогенераторов работают в определенном режиме. Если говорить упрощенно, то это может быть поточный газогенератор, где сгорание происходит в потоке сырья, газификация в плотном или кипящем слое, где частицы находятся во взвешенном состоянии. Мы предлагаем комбинировать два подхода – газификация плотного и кипящего слоя. Преимущество в том, что появляется возможность перерабатывать сырье большей крупности, то есть с меньшими расходами на его подготовку. Кроме того, нам удалось снизить температуру сырого газа и повысить конверсию. Другими словами, удается увеличить выход синтез-газа и при этом минимизируем отходы – твёрдую сажистую фазу», – рассказал автор разработки доцент кафедры автоматизации технологических процессов и производств Горного университета Илья Белоглазов.
В дальнейших научных планах разработчиков – установка, возможно на университетском учебном полигоне «Саблино», совместно с заинтересованным индустриальным партнером полупромышленного газогенератора для отработки на нем эффективной схемы производства для различных видов сырья.
Разработка может быть успешно внедрена на таких предприятиях, как Сибирская угольная энергетическая компания, Кузбассразрезуголь, «Сибирский антрацит». Из крупных иностранных компаний можно назвать китайскую China Shenhua Energy, индийскую Coal India, австралийские «Би-Эйч-Пи Биллитон», Rio Tinto, южноафриканскую Sasol Limited. Последняя, например, успешно занимается, как добычей угля, так и его переработкой в синтетическое топливо для автомобилей.