Организация производства углеродных нанопористых сорбентов для разделения газов и изготовления источников тока

Проект направлен на разработку энергоэффективной технологии и создание опытного производства углеродных нанопористых молекулярных сит (УМС) из углей Кузбасса. Актуальность проекта обусловлена необходимость переработки углей в продукты с высокой добавленной стоимостью, а также переработки попутных нефтяных и коксовых газов, снижения вероятности взрывов на шахтах и использования водорода. Углеродные сорбенты используются для: - выделения и очистки водорода из синтез-газа, попутного нефтяного и коксового газов, продуктов переработки углей; - выделения азота из воздуха; - очистки воздуха от метана, монооксида и диоксида углерода; - изготовления суперконденсаторов и литий-ионных аккумуляторов; - применения в аналитическом адсорбционном оборудовании.

Категория
НеФормат
Автор проекта
Научный руководитель
Директор по науке Бервено Виктор Петрович
Научное направление
Углеродные наноструктурированные материалы
Описание

В настоящее время разработаны и изготовлены уникальные лабораторные укрупненные установки активации углей, отработана методика получения углеродных молекулярных сит для разделения газов; наработаны экспериментальные образцы углеродных сорбентов. Полученные образцы углеродных нанопористых сорбентов успешно прошли испытания у потенциальных потребителей – ЗАО «Катакон» и Заводе экспериментального машиностроения ОАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени Королева».

Углеродные нанопористые сорбенты используются для разделения, очистки и концентрирования газов на установках короткоцикловой адсорбции (КЦА), в аналитических целях - в газовой хроматографии, сорбционных ловушках и детекторах газов, а также в новом поколении источников тока - суперконденсаторах, литий-ионных аккумуляторах и топливных элементах.

В результате реализации проекта по программе УМНИК ФСР МП НТС были разработаны фундаментальные основы создания углеродных молекулярно-ситовых сорбентов, проведено моделирование структуры и изучены свойства исходных углеродных материалов (углей, углеродных волокон, пеков). В течение 2008-2009 годов была разработана методика получения нанопористых сорбентов из углей Кузбасса. За 2009-2011 были наработаны и исследованы экспериментальные образцы молекулярно-ситовых сорбентов, в том числе в независимой лаборатории и у потенциальных потребителей, закуплено аналитическое оборудование, спроектированы и изготовлены лабораторные и укрупненные установки активации углей. Полученные по разработанной методике парогазовой активации каменноугольного сырья нанопористые сорбенты исследованы с помощью рентгеновского анализа, электронной просвечивающей и растровой сканирующей микроскопии, элементного дисперсионного спектрометра, ИК-спектрометра, ЭПР-спектрометра, газовой хроматографии, дериватографии, порометрии и термодесорбометрии.

Планируется спроектировать и изготовить модельную и пилотные установки активации углей, общей производительностью около 20-25 тонн в год, наработать опытные партии нанопористых сорбентов, провести их испытания, в том числе в независимой лаборатории и у потенциальных потребителей.

Практическая значимость

Проект направлен на формирование в углеродных материалах щелевых молекулярных пор заданного размера с определёнными электронно-обменными свойствами. Это необходимо для эффективного разделения газовых смесей, в том числе попутных газов нефтехимии (ПНГ), а также для применения в изготовлении аккумуляторов и конденсаторов нового поколения.

На сегодняшний день в России не существует промышленного производства углеродных молекулярных сит для разделения газов. Россия наращивает закупки углеродных сорбентов за рубежом, сегодня они составляют 19-26 тыс. тонн в год, и имеют тенденции к постоянному росту (по данным ГК «Росхимзащита»).

Мировой спрос на активированный уголь, по данным компании Freedonia Group Inc., составляет около $2,4 млн. (1,2 млн. тонн) и будет расти на более чем 10% в год и к 2016 г. составит около 1,9 млн. тонн (более $3 млрд. в год).

По данным BCC Research, мировой рынок для нанопористых и микропористых адсорбентов достиг $2,2 млрд. в 2011 году, в 2012 - $2,4 млрд. и будет расти дальше до $2,9 млрд. к 2017, темпы роста (CAGR) – 4,3% в год. Североамериканский рынок активированного угля составил около $495 млн. в 2011 году, в 2012 – $520 млн., а в дальнейшем вырастет до $645 млн. к 2017 году (CAGR – 4,4%).

Решаемые проблемы:

1. Экологические - детектирование, улавливание и концентрирование вредных газов, в том числе парниковых – метана, углекислого газа, попутных нефтяных газов, меркаптанов, сероводорода, летучих органических соединений;

2. Сокращение выбросов в атмосферу - уменьшение выбросов метана и ПНГ;

3. Переработка попутных газов (легких бензиновых фракций) и их дальнейшее использование в химии и энергетике;

4. Выделение водорода из попутных нефтяных и коксовых газов, сланцевых газов, продуктов газификации углей, синтез-газа, а также очистка водорода для повторного использования, в том числе в топливных элементах;

5. Выделение гелия из природного газа, снижение энергетических затрат (по сравнению с криогенным методом);

6. Снижение стоимости углеродных сорбентов для разделения и очистки газов;

7. Решение проблемы зависимости от импортеров, в результате создания тиражируемого производства сорбентов из недефицитных углей Кузбасса;

8. Высокая цена чистых газов - азота, кислорода, водорода, гелия, метана и их смесей на рынке, использование новых сорбционных технологий позволяет в несколько раз снизить их цену;

9. Металлоемкость стационарных криогенных установок выделения азота. Создание мобильных устройств для выделения азота из воздуха;

10. Отсутствие в России производства УМС. В результате активации углей будет получен материал, стоимостью в десятки раз дороже, чем исходное сырье;

11. Низкая эффективность современных источников тока. Изготовление суперконденсаторов и аккумуляторов с использованием сорбентов повышенной сорбционной емкости для увеличения их конкурентоспособности (улучшения электрохимических характеристик, снижение стоимости);

12. Мобильные установки для очистки воздуха в угольных шахтах для обеспечения дыхания шахтеров.

Ресурсы и потребности

Проект реализуется на базе компании «Сорбенты Кузбасса», ОАО «Кузбасский технопарк», при поддержке Администрации Кемеровской области, производственного кооператива «Вторполимер», Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, НИФХИ имени Карпова, КемНЦ, ЦКП Сколково и потенциальных потребителей.

Для реализации проекта подготовлены производственные и лабораторные площади – 520 кв. м. в Кузбасском технопарке, где уже пройдена экспертиза проекта и построены помещения в соответствии с проектной документацией, которая согласована с нашей компанией.

Для реализации проекта имеются: газовые хроматографы, генераторы газов – азота и водорода, смесители и анализаторы газов, хроматомасс-спектрометр, электронный растровый микроскоп с энергодисперсионным спектрометром, ЭПР и ЯМР-спектрометр, ИК-спектрометр, термодесорбомер, гелиевый пикнометр, исследовательская установка короткоцикловой безнагревной адсорбции, весовое, дробильное, рассевочное, токарное, слесарное и сварочное оборудование, комплектующие и расходные материалы, реактивы, закуплено исходное каменноугольное сырье. Командой проекта разработаны и изготовлены уникальные лабораторные и укрупненные установки парогазовой активации углей.

Необходимо наработать опытные образцы для проведения приёмочных испытаний в условиях промышленной эксплуатации у потенциальных потребителей. За счет финансирования Фонда Сколково планируется провести маркетинговые исследования, разработать бизнес-план проекта, выполнены патентные исследования и подана заявка на патентование способа.

Ключевые ожидаемые результаты и ориентировочный срок их достижения, при соответствующем финансировании:

1. Проектная документация и опытная установка активации углей. Проведена оптимизация технологических процессов получения УМС для разделения газов. Наработаны, исследованы опытные образцы УМС, в том числе у потенциальных потребителей. Подана заявка на патент. Маркетинговые исследования, бизнес-план и ТЭО по проекту (3-4 месяца).

2. Отработана опытная технология активации углей с получением сорбентов. Наработаны опытные партии образцов УМС и переданы на испытания. Проведено модифицирование углеродных сорбентов наночастицами для увеличения эффективности разделения воздуха на азот и кислород. Исследована их эффективность в выделении Н2 на установке КЦА, с размером пор 0,27-0,9 нм, площадью поверхности 300-600 м2/г, объемом пор 0,15-0,4 см3/г. Разработана система получения гранулированных УМС. Опытные испытания полученных сорбентов в Испании и РФ (есть договоренности). Патентование установки получения сорбентов (5-6 месяцев).

3. Проведено изготовление опытных партий сорбентов, общей массой около 50 кг. Испытаны партии продукта на собственном оборудовании и у потенциальных потребителей: в установках газовой хроматографии и короткоцикловой адсорбции - выделение водорода из синтез-газа, азота из воздуха; концентрирование метана, углекислого газа и разделение других газовых смесей. Изучены структурные, механические и сорбционно-кинетические характеристики сорбентов. Разработана, спроектирована, изготовлена и испытана модельная установка активации углей. Проведена автоматизация предварительных процессов дробления и рассева угля. Отработка процессов грануляции. Осуществление первых продаж УМС. Разработана технология получения нанопористых сорбентов для изготовления суперконденсаторов и аккумуляторов, их анализ (6-7 месяцев).

4. Разработана и спроектирована полупромышленная установка получения углеродных нанопористых сорбентов для разделения газов. Продвижение продукции на рынок, увеличение производительности установок активации. Сертификация и лицензирование. Проведены исследования УМС для изготовления суперконденсаторов (5-6 месяцев).

5. Изготовлена и запущена полупромышленная установка получения углеродных нанопористых сорбентов для разделения газов. Отработана технология получения УМС для изготовления суперконденсаторов, проведены приемочные испытания у потенциальных потребителей – ЗЭМ РКК Энергия им. Королева (4-6 месяцев).

6. Наработаны полупромышленные партии УМС для разделения газов и проведена их реализация потенциальным потребителям. Сертификация, лицензирование и регистрация оборудования, сдача экзаменов сотрудниками на получение допуска работы на оборудовании, прохождение экологической экспертизы в комитете по охране природы и выбросам в окружающую среду (4-6 месяцев).

Партнеры

Потенциальными партнерами, с которыми проведены переговоры, являются ЗАО "Сибирский Антрацит", ОАО ПК "Вторполимер", ОАО "Кузбасский технопарк" и Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН.

У соинвестора – производственного кооператива «Вторполимер» имеются все необходимые производственные, лабораторные площади для текущего и выпускного контроля сырья, полупродуктов и продуктов, инфраструктура (энергообеспечение, подъездные ж/д пути, автономные водо-, теплоснабжение, канализация, очистные сооружения, ремонтно-механическая служба), свободные производственные площади и территория для развития производства (около 2500 м2).

Контрольные приемочные испытания будет проводить заказчики продукции: ГК «Росхимзащита», ЗАО «Грасис» (потребность 50-100 тонн в год), НПО «Провита» (потребность 20-50 тонн в год), ОАО «НПО Гелиймаш» (потребность – 40-70 тонн в год), ООО «УкрПромЭкология» (потребность около 2-3 тонн), ООО «ЦветХром», ГК «Новые технологии» (потребность около 2,5 тонн), ЗАО «Катакон», ТД «Телеком-Пневматик», ОАО «ОМЗ», ОАО «Компрессор».

Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН (г. Новосибирск) оказывает научную поддержку проекта.

ПК «Вторполимер» (г. Кемерово) оказывает поддержку по проектированию и изготовлению нестандартного оборудования для изготовления и анализа углеродных сорбентов. У ПК «Вторполимер» имеются производственные, лабораторные площади для текущего и выпускного контроля сырья, полупродуктов и продуктов, необходимая инфраструктура (энергообеспечение, подъездные ж/д пути, автономные водо-, теплоснабжение, канализация, очистные сооружения, ремонтно-механическая служба, опытные сотрудники), свободные производственные площади и территория для развития производства.

Маркетинговые исследования по теме проекта и анализ конкурентов проводит крупнейшая американская компания Freedonia Group Inc. Получены маркетинговые исследования «Мировой рынок активированных углей».

Патентный поиск проведён Центром интеллектуальной собственности Сколково. Для защиты интеллектуальной собственности привлекаются известные зарубежные компании и патентные поверенные из США и Европы – CambrigeIP (Великобритания), Arent Fox LLP (США), Valea AB (Швеция).

Экологическая экспертиза будет проводится Управлением Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзор) по Кемеровской области.

Для внедрения результатов проекта у заявителей проекта имеются предварительные договоренности с крупными компаниями, производящими установки сорбционной очистки и установки КЦА для выделения или очистки водорода на основе углеродных молекулярных сит (ОАО «Гелиймаш», ООО «АГТ», ООО НПК «Провита», ООО «Цветхром», ЗАО «Катакон», ЗАО «Грасис», ОАО «ЗЭМ РКК Энергия имени Королева», ООО «Химмет», ФГУП «НИФХИ имени Л.Я. Карпова», ООО «УкрПромЭкология», ГК «Новые технологии», ООО «НПП Синтез»), которые также готовы проводить исследования и тестовые испытания наших сорбентов.

Для выхода на зарубежные рынки предполагается взаимодействие с финским бизнес-акселератором Tridara International Ltd. (Президент и партнер – Томас Росин), у которого имеется опыт патентования и внедрения разработок, а также опыт создания высокотехнологичных предприятий на основе технологий в угольной отрасли. Он осуществил продажу научно-технической компании, занимающейся производством датчиков пыли для корпорации «Foster Wheeler».

Также планируется сотрудничество с директором Института нанотехнологий Дрекселя профессором Ю.Г. Гогоци, который также является Председателем Совета директоров компании «Y-Carbon Inc.», производящей суперконденсаторы, аккумуляторы, УМС и активные угли широкого применения, консультантом нескольких крупных компаний, в том числе корпорации «Foster Wheeler», изготавливающей установки КЦА в промышленных масштабах с использованием углеродных сорбентов для выделения и очистки водорода.

Для проведения исследований углеродных молекулярных сит будут привлекаться отечественные и зарубежные ученые, с которыми подписаны письма о намерениях – профессор Duong Do (Австралия), Katsumi Kaneko (Япония), Francisco Rodriguez-Reinoso (Испания) и некоторые другие.

Проект поддерживают академик РАН Ляхов Н.З. (учёный секретарь Сибирского отделения РАН, директор ИХТТМ СО РАН), который имеет большой авторитет и связи среди потенциальных потребителей. 

Уровень активности
22






Отправить ссылку: