Разработка научных основ и технологий комплексной переработки угольного метана Кузбасса в полезные химические продукты учитывая концентрационные особенности их состава

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-13-20040

НазваниеРазработка научных основ и технологий комплексной переработки угольного метана Кузбасса в полезные химические продукты учитывая концентрационные особенности их состава

Руководитель Матус Екатерина Владимировна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук" , Кемеровская обл (Кузбасс)

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-403 - Гомогенный катализ и гетерогенный катализ

Ключевые слова угольный метан, комплексная технология, химическая переработка, три-риформинг метана, катализаторы, синтез-газ, водород, пилотная установка

Код ГРНТИ31.15.28

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Процессы добычи угля сопровождаются высвобождением газа, который содержится в угольном пласте и окружающих породах. Содержание метана в угольном газе колеблется от 1 до 98%. Ежегодно шахты Кузбасса выбрасывают в атмосферу ~1 млрд м3 метана. Угольный метан может быть использован для получения электрической и тепловой энергии, моторного топлива и химических продуктов, однако в настоящее время лишь незначительная его часть (менее 3%) применяется для местного газоснабжения. Выбросы метана в атмосферу приводят к усилению парникового эффекта и разрушению озонового слоя Земли. Как парниковый газ метан имеет высокую степень воздействия на изменение климата. Его прямой радиационный эффект в 26 раз выше по сравнению с углекислым газом. Кроме загрязняющего воздействия на окружающую среду, выделение метана в горные выработки является одним из сдерживающих факторов увеличения добычи угля. Огромные запасы метана угольных пластов Кузнецкого бассейна (~13 трлн. м3), высокий потенциал воздействия на глобальное потепление, а также коммерческая ценность метана обуславливают актуальность разработок инновационных технологий по его попутному извлечению и рациональному использованию. Сокращение выбросов метана в атмосферу и его утилизация снизит антропогенное воздействие на климат, повысит энергоэффективность использования топливно-энергетических ресурсов и позволит создать новое современное направление в угольной отрасли. Перспективным направлением глубокой переработки угольного метана является его конверсия в полезные химические продукты, что находится в соответствии с национальной стратегией снижения выбросов парниковых газов и декарбонизации экономики. Целью проекта является разработка научных основ и технологий комплексной переработки угольного метана Кузбасса в полезные химические продукты учитывая концентрационные особенности их состава . В основе процесса переработки угольного метана предлагается каталитический три-риформинг метана – процесс, сочетающий паровой риформинг метана, сухой риформинг метана и парциальное окисление метана. Его можно рассматривать как метод снижения выбросов CO2, а также как процесс производства синтез-газа из метано-воздушной смеси переменного состава. Для учета концентрационных особенностей угольного метана при его конверсии в полезные продукты будет проведен термодинамический анализ процесса три-риформинга метана (СH4+O2+CO2+H2O) и его составляющих реакций – паровой риформинг (СH4+H2O), сухой риформинг (СH4+CO2), парциальное окисление (СH4+O2), автотермический риформинг (СH4+O2+H2O), пароуглекислотный риформинг (СH4+CO2+H2O) метана, что позволит установить области безопасной конверсии угольного метана и оптимизировать условия его химической переработки. Впервые будет выявлен равновесный состав продуктов конверсии различных видов угольного метана в процессе три-риформинга в зависимости от их концентрационных особенностей. Для комплексной переработки угольного метана методом каталитического три-риформинга в рамках проекта будут созданы новые высокоактивные и стабильные к дезактивации каталитические системы. Для этого будут разработаны способы конструирования каталитических систем, включающие использование эффектов взаимного усиления действия металлов и модифицирования состава носителя. Будет синтезирована представительная серия катализаторов, исследованы их свойства и закономерности формирования в зависимости от состава и содержания промотирующей добавки. Регулирование физико-химических и функциональных свойств катализаторов будет достигаться путем реализации различной степени взаимодействия активный компонент-носитель и восстанавливаемости активного компонента за счет варьирования типа и содержания допирующей добавки. Будут получены новые знания о закономерностях формирования катализаторов и генезисе активного компонента с помощью комплекса ex situ и in situ физико-химических методов исследования. Будут разработаны научные основы и методы комплексной переработки угольного метана в полезные химические продукты. Для этого будут исследованы процессы три-риформинга метана и его составляющие реакции – паровой риформинг, сухой риформинг, парциальное окисление, автотермический риформинг, пароуглекислотный риформинг метана в присутствии синтезированных катализаторов. Впервые будет выявлено влияние состава угольного метана на его конверсию и состав получаемых продуктов в процессе каталитического три-риформинга. Будет исследована активность и устойчивость к дезакцивации разработанных катализаторов в процессе три-риформинга метана и его составляющих реакциях и получены фундаментальные знания по взаимосвязи «состав–структура–функциональные свойства». В сотрудничестве с угольной компанией будет создана малогабаритная пилотная установка для испытаний процесса на реальных составах дегазационного метана. Реализация проекта заложит основу для новой технологии комплексной переработки угольного метана в полезные химические продукты с учетом концентрационных особенностей их состава.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Е.В. Матус, И.З. Исмагилов, Е.С. Михайлова, З.Р. Исмагилов Hydrogen Production from Coal Industry Methane Eurasian Chemico-Technological Journal, vol. 24, no. 2, pp. 69-91 (год публикации - 2022)
10.18321/ectj1320

2. Е.В. Матус, З.Р. Исмагилов Promising Directions in Chemical Processing of Methane from Coal Industry. Part 1. Thermodynamic analysis Eurasian Chemico-Technological Journal, vol. 24, no. 3, pp. 203-214 (год публикации - 2022)
10.18321/ectj1433

3. Тайлаков О. В. СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КАЧЕСТВЕННОГО И КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА УГОЛЬНОГО МЕТАНА КУЗБАССА Вестник Кузбасского государственного технического университета, № 5 (153). С. 40-47 (год публикации - 2022)
10.26730/1999-4125-2022-5-40-47

4. Исмагилов З.Р. , Матус Е.В. , Исмагилов И.З. Catalytic Processing of Coalbed Methane into Useful Chemical Products to Reduce the Carbon Footprint and Anthropogenic Impact on the Climate Physics and Chemistry of Elementary Chemical Processes : Proceedings of the 10th International Voevodsky Conference. September 5–9, 2022.–NSU., C.20. (год публикации - 2022)

5. Матус E.В., Исмагилов З.Р. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАВНОВЕСНЫХ ПРОДУКТОВ ПЕРЕРАБОТКИ УГОЛЬНОГО МЕТАНА УЧИТЫВАЯ КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ОСОБЕННОСТИ Углехимия и экология Кузбасса: XI Международный РоссийскоКазахстанский Симпозиум: сб. тез. докл. . 4 - 6 июля 2022 г. Сборник, ФИЦ УУХ СО РАН., с. 54 (год публикации - 2022)

6. Тайлаков О.В. ПРОГНОЗ ОБЪЕМОВ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ УТИЛИЗАЦИИ МЕТАНА В КУЗБАССЕ Углехимия и экология Кузбасса: XI Международный РоссийскоКазахстанский Симпозиум: сб. тез. докл. . 4 - 6 июля 2022 г. Сборник, ФИЦ УУХ СО РАН, с. 85 (год публикации - 2022)

7. Хайрулин С.Р., Сальников А.В, Матус Е.В., Исмагилов З.Р. РАЗРАБОТКА СТАДИИ КАТАЛИТИЧЕСКОГО СЖИГАНИЯ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ РИФОРМИНГА УГОЛЬНОГО МЕТАНА Углехимия и экология Кузбасса: XI Международный РоссийскоКазахстанский Симпозиум: сб. тез. докл. . 4 - 6 июля 2022 г. Сборник, ФИЦ УУХ СО РАН. 2022, С. 90 (год публикации - 2022)

8. Михайлова Е.С., Сальников А.В., Хайрулин С.Р. Оптимизация условий реакций пароуглекислотного и автотермического риформинга метана Химия в интересах устойчивого развития/Chemistry for Sustainable Development (год публикации - 2023)

9. Васильев С.Д., Исмагилов И.З., Матус Е.В., Хайрулин С.Р. РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕАКЦИЙ ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ ТРИ-РИФОРМИНГА МЕТАНА Углехимия и экология Кузбасса: XI Международный РоссийскоКазахстанский Симпозиум: сб. тез. докл. . 4 - 6 июля 2022 г. Сборник, ФИЦ УУХ СО РАН. 2022., С.22 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Матус Е.В., Керженцев М.А., Исмагилов И.З., Никитин А.П., Созинов С.А., Исмагилов З.Р. Hydrogen Production from Biogas: Development of an Efficient Nickel Catalyst by the Exsolution Approach Energies, 16, 7, 2993 (год публикации - 2023)
10.3390/en16072993

2. Матус Е.В., Керженцев М.А., Никитин А.П., Созинов С.А., Исмагилов З.Р. Promising Directions in Chemical Processing of Methane from Coal Industry. Part 2. Development of Catalysts Eurasian Chemico-Technological Journal, 25 (2), 103-113 (год публикации - 2023)
10.18321/ectj1500

3. Никитин А.П., Созинов С.А., Матус Е.В., Исмагилов З.Р. Разработка нанесенных никель-цериевых катализаторов для ресурсосберегающей конверсии метана в водородсодержащий газ Химия в интересах устойчивого развития, 31 (5) 568–576 (год публикации - 2023)
10.15372/KhUR2023500

4. Исмагилов З.Р., Матус Е.В., Исмагилов И.З., Тайлаков О.В. Разработка катализаторов и технологии переработки метана угольной отрасли в продукты химической промышленности Тезисы докладов IV Международной конференции и выставки. Москва, 2023 Издательство: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - Газпром ВНИИГАЗ", 46 (год публикации - 2023)

5. Матус Е.В., Керженцев М.А., Исмагилов И.З., Никитин А.П., Созинов С.А., Исмагилов З.Р. Finely Controlled Nanocatalysts for Coal Mine Methane Conversion ASAM-8. The 8th Asian Symposium on Advanced Materials. Book of Abstracts. Novosibirsk : Boreskov institute of Catalysis SB RAS, 2023, С. 375 (год публикации - 2023)

6. Исмагилов З.Р., Яшник С.А., Лю Ю., Матус Е.В., Охлопкова Л.Б. Сопряжение стадий паровой конверсии метана на структурированных катализаторах и сорбции СО2: подход к интенсификации процесса и минимизации СО2 Углехимия и экология Кузбасса: XII Международный российско- казахстанский симпозиум, Кемерово, 3 - 6 июля 2023 г.: сб. тез. докл.– Кемерово: ФИЦ УУХ СО РАН, 2023, С. 44 (год публикации - 2023)

7. Матус Е.В., Исмагилов З.Р. Создание высокоактивных и стабильных к дезактивации каталитических систем для переработки метана угольной отрасли Углехимия и экология Кузбасса: XII Международный российско- казахстанский симпозиум, Кемерово, 3 - 6 июля 2023 г.: сб. тез. докл.– Кемерово: ФИЦ УУХ СО РАН, 2023., С. 60 (год публикации - 2023)

8. Попова А.Н., Матус Е.В., Исмагилов З.Р. Особенности фазового состава и структурные свойства моно- и биметаллических катализаторов для экологически безопасных технологий Углехимия и экология Кузбасса: XII Международный российско- казахстанский симпозиум, Кемерово, 3 - 6 июля 2023 г.: сб. тез. докл.– Кемерово: ФИЦ УУХ СО РАН, 2023., С. 72 (год публикации - 2023)

9. Матус Е.В., Никитин А.П., Созинов А.С., Хайрулин С.Р., Исмагилов З.Р. Разработка высокоэффективных катализаторов для производства водорода из метана «Водород. Технологии. Будущее» IV Всероссийская научно-практическая конференция Сборник тезисов докладов. Новосибирск : Институт катализа СО РАН, 2023, C.19-20 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Основной целью проекта является разработка научных основ и технологий комплексной переработки угольного метана Кузбасса в полезные химические продукты учитывая концентрационные особенности их состава. В основе процесса переработки угольного метана предлагается каталитический три-риформинг метана – процесс, сочетающий паровой риформинг метана, сухой риформинг метана и парциальное окисление метана и позволяющий получатьсинтез-газ из метановоздушной смеси переменного состава. В отчетный период с целью выявления механизма влияния условий промотирования на активность катализаторов и их устойчивость в процессе конверсии угольного метана путем три-риформинга проведены длительные (24 ч) испытания образцов катализаторов, отличающихся условиями промотирования (типа промотора: промотирование промоторами-металлами Pd, Re, Мо; промотирование промоторами-оксидами Сe, Zr, La, Mg; способа введения промотора: метод совместной или последовательной пропитки, цитратный золь-гель метод), в процессе три-риформинга угольного метана при варьировании режимов активации (без и с предварительной активацией в инертных, окислительных или восстановительных условиях) и тестирования (мольное соотношение компонентов CH4/O2/H2O/CO2). Определены зависимости от условий промотирования показателей активности катализаторов, степени их дезактивации, спекания и зауглероживания для различных режимов активации и тестирования. Установлены оптимальные способ введения промотора (цитратный золь-гель метод), условия предобработки катализаторов (использование инертной среды) и наиболее эффективные каталитические системы (Pd-20Ce0.2Ni0.8O1.2/Al2O3, 20Ce0.2Ni0.8O1.2/Al2O3–0.25, 20La0.2Ni0.8O1.1/Al2O3–0.25, 15Mg0.2Ni0.8O/Al2O3–0.25) для их исследования в конверсии различных типов угольного метана. Установлена корреляционная зависимость «состав–структура–функциональные свойства» катализаторов в процессе конверсии угольного метана. Получены физико-химические характеристики отработанных в длительных (24 ч) испытаниях образцов катализаторов, отличающихся условиями промотирования, режимами активации и тестирования. Выполнен сопоставительный анализ текстурных и структурных свойств исходных и отработанных в длительных испытаниях образцов с их активностью, устойчивостью к дезактивации и зауглероживанию. С целью определения оптимальных составов катализаторов, обеспечивающих высокие показатели конверсии угольного метана с учетом их концентрационных особенностей, проведены длительные (24 ч) испытания наиболее эффективных каталитических систем (20Ce0.2Ni0.8O1.2/Al2O3–0.25, Pd-20Ce0.2Ni0.8O1.2/Al2O3, 20La0.2Ni0.8O1.1/Al2O3–0.25, 15Mg0.2Ni0.8O/Al2O3–0.25) в конверсии различных типов угольного метана (VAM+, CMM-1+ и СММ-2+). Определены зависимости значений показателей процесса от времени и состава катализатора, устойчивости к спеканию и степени и зауглероживания образцов. Показано, что оптимальный состав катализатора для переработки угольного метана в полезные химические продукты зависит от концентрационных особенностей сырья. Для переработки метановоздушной смеси, извлекаемой дегазационными системами угольных шахт Кузбасса – «Распадская» и им. им. С. М. Кирова, выбран катализатор состава 20Ce0.2Ni0.8O1.2/Al2O3–0.25, поскольку смеси содержат высокие концентрации метана и низкие кислорода. Выполнен отбор проб и проведен анализ компонентного состава метановоздушной смеси, извлекаемой дегазационными системами угольных шахт «Распадская» и им. С. М. Кирова. Установлено, что мольное соотношение O/C варьируется в пределах от 0.32 до 1.50 и от 0.49 до 0.52 для метановоздушных смесей шахт «Распадская» и имени С. М. Кирова соответственно, что указывает на необходимость добавки кислородсодержащего агента (СО2 и/или вода), чтобы обеспечить устойчивый режим (без значительного коксообразования) протекания процесса три-риформинга шахтного метана с высоким выходом целевых продуктов. Выполнено тестирование оптимального образца катализатора на реальных составах метановоздушной смеси, извлекаемой дегазационными системами угольных шахт «Распадская» и им. С. М. Кирова. Выявлен характер влияния условий проведения процесса (температура, время контакта, линейная скорость подачи сырья) на показатели процесса (конверсия сырья, выход целевых продуктов) и степень дезактивации катализатора. Определены оптимальные условия проведения процесса. Выполнены ресурсные испытания оптимального образца катализатора на реальных составах метановоздушной смеси, извлекаемой дегазационными системами угольных шахт «Распадская» и им. С. М. Кирова. Определена длительность межрегенерационного пробега катализатора, которая для обоих испытаний составила не менее 100 ч реакции. Созданы новые высокоактивные и устойчивые к дезактивации катализаторы комплексной переработки угольного метана в полезные химические продукты. Создан прототип малогабаритной пилотной установки для испытаний процесса на реальных составах дегазационного метана и выполнены экспериментальные исследования. Наработана партия оптимального катализатора Ce0.2Ni0.8Oy/Al2O3–025. Установлено, что при температуре 850оС в присутствии катализатора Ce0.2Ni0.8Oy/Al2O3–0.25 достигаются высокие показатели процесса переработки метановоздушной смеси, получаемой дегазационными системами угольных шахт: конверсия CH4 – 90%, конверсия CО2 – 98%, выход H2 – 89%, выход CO – 95%. Впервые созданы научные основы для технологии комплексной переработки угольного метана в полезные химические продукты с учетом их концентрационных особенностей. Учитывая, что при эффективности дегазации угольных пластов 30% ежегодные объемы метана с высокой концентрацией, которые могут быть использованы для его последующей переработки в Кузбассе, оцениваются в 339–402 млн м3, ежегодный объем водорода, получаемого из угольного метана по разработанной технологии, составит 550–650 млн м3. По результатам работы опубликовано 4 тезисов докладов и 5 научных статей в журналах "Горный информационно-аналитический бюллетень/Mining Information and Analytical Bulletin", "Химия в интересах устойчивого развития"/"Chemistry for Sustainable Development", Eurasian Chemico-Technological Journal, Energy, Ecology and Environment.

Публикации

1. Матус Е.В., Керженцев М.А. , Никитин А.П. , Созинов С.А. , Исмагилов З.Р. Promising Directions in Chemical Processing of Methane from Coal Industry. Part 3. Catalytic Tests Eurasian Chemico-Technological Journal , V.26. N1. P.3-14. (год публикации - 2024)
10.18321/ectj1559

2. Матус Е.В., Тайлаков О.В., Сухова О.Б., Сальников А.В., Стонкус О.А., Керженцев М.А., Хайрулин С.Р., Исмагилов З.Р. Promising Directions in Chemical Processing of Methane from Coal Industry. Part 4. Long-term stability test Eurasian Chemico-Technological Journal, Vol. 26 №4 (год публикации - 2024)

3. Матус Е.В. , Коваленко Е.Н. , Сальников А.В. , Керженцев М.А. , Хайрулин С.Р. Optimization of Process Conditions for Tri-Reforming Coal Mine Methane into Hydrogen-Containing Gas Сборник тезисов Catalysis: from science to industry: Proceedings of VII International scientific schoolconference for young scientists “Catalysis: from science to industry”.–TSU.,2024., C.85 (год публикации - 2024)

4. Матус Е.В. , Сальников А.В. , Никитин А.П. , Хайрулин С.Р. Разработка катализаторов для ресурсосберегающей конверсии метана в водородсодержащий газ Сборник ХХII Менделеевский съезд по общей и прикладной химии, 7-12 октября, 2024, Федеральная территория «Сириус», Россия. Сборник тезисов докладов в 7 томах. Том 3.–ООО «Адмирал Принт», Т. 3, C.111 (год публикации - 2024)

5. Матус Е.В. , Исмагилов И.З. , Сальников А.В. , Тайлаков О.В. , Хайрулин С.Р. , Исмагилов З.Р. Утилизация шахтного метана: разработка каталитической технологии для устойчивого развития В сборнике Углехимия и экология Кузбасса: XIII Международный Российско-Казахстанский Симпозиум: сборник тезисов докладов. 15 - 17 октября 2024 г. Кемерово.–ФИЦ УУХ СО РАН.,2024., С. 41 (год публикации - 2024)

6. Матус Е.В., Сальников А.В., Тайлаков О.В., Хайрулин С.Р. Каталитическая переработка угольного метана в водородсодержащий газ В сборнике V Российский конгресс по катализу «РОСКАТАЛИЗ» : тезисы докладов конгресса, 21−26 апреля 2025 / Санкт-Петербург.–Институт катализа СО РАН.,2025. (год публикации - 2025)

7. Сальников А.В. , Матус Е.В. , Керженцев М.А. , Хайрулин С.Р. Catalytic Processing of Coal Mine Methane into Hydrogen-Containing Gas: Influence of Tri-Reforming Process Conditions Chemistry for Sustainable Development, V.32. N3. P.384-392. (год публикации - 2024)
10.15372/CSD2024569

8. Тайлаков О.В. Mining Informational and Analytical Bulletin Mining Informational and Analytical Bulletin, №11, P. 88-100 (год публикации - 2024)
10.25018/0236_1493_2024_11_0_88

9. Матус Е.В., Сальников А.В., Керженцев М.А., Тайлаков О.В., Хайрулин С.Р. Coal mine methane utilization: Environmental friendly catalytic technology for sustainable development Energy, Ecology and Environment (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Практическое использование результатов проекта по комплексной переработке угольного метана в полезные химические продукты вносит существенный вклад в решение приоритетных для региона – Кузбасс и Российской Федерации в целом, задач, а именно: создание инновационного газохимического направления в угольной отрасли откроет новые рабочие места и привлечет трудовые ресурсы в регион; переработка угольного метана в химические продукты повысит эффективность использования топливно-энергетических ресурсов Кузбасса; попутное извлечение угольного метана путем превентивной и своевременной дегазации угольных пластов повысит безопасность и улучшит условия добычи угля; сокращение выбросов метана улучшит экологическую обстановку в Кузбассе, снизит углеродный след и антропогенное воздействие угольной отрасли на климат, что является залогом успешного экономического роста и социального развития региона – Кузбасс и Российской Федерации в целом.