Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка, изготовление и запуск в эксплуатацию мобильного энергетического комплекса переработки углеродосодержащих отходов растительного происхождения методом быстрого пиролиза с дальнейшей генерацией электрической, тепловой энергий (общей мощностью до 2МВт/ч) и получением углеродных сорбентов

Докладчик: Сульман Эсфирь Михайловна

Должность: заведующая кафедрой

Цель проекта:
Целью проекта является разработка технических решений для создания мобильного энергокомплекса на основе быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов сельского хозяйства, предназначенного для тепло- и энергоснабжения автономных потребителей с целью повышения показателей энергоэффективности и надежности эксплуатации. В результате осуществления проекта будет создан энергетический комплекс загрузкой до 20 тонн биомассы в сутки, включающий в свой состав установку по быстрому пиролизу углеродсодержащих отходов растительного происхождения, агрегат сушки-измельчения сырья и другие модули для выработки тепловой и электрической энергии, а также сопутствующая им конструкторская и технологическая документация. Для увеличения эффективности процессов быстрого пиролиза, а именно увеличения КПД комплекса, снижения выхода смол, и дегтя применяются катализаторы на основе переходных металлов, способствующих деструкции названных побочных продуктов. В результате термического распада на катализаторе высококипящих компонентов, содержащихся в получаемом газе, происходит увеличение концентрации горючих газообразных продуктов (углеводороды С1-С4, СО, Н2). Это приводит к улучшению эксплуатационных показателей получаемого горючего газа, что выражается в более эффективной и стабильной работе электрогазогенератора. Работы по исследованию и разработке катализаторов, применяемых для увеличения эффективности процессов термической переработки органического сырья, необходимо проводить на высоком научном уровне с применением современного оборудования, позволяющего всесторонне изучить и оптимизировать процесс переработки. Для исследования всех показателей качества получаемых готовых продуктов в подразделениях Тверского государственного университета сконцентрировано уникальное научное оборудование, которое будет использовано при выполнении проекта.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения настоящего проекта будут получены следующие результаты:
1. Промежуточные и заключительные отчеты, отражающие результаты работ, содержащие в т.ч.:
а) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов в области быстрого пиролиза углеродосодержащих отходов растительного происхождения с генерацией тепловой и электрической энергии;
б) обоснование выбора направления исследований, методов и средств быстрого пиролиза с дальнейшей генерацией тепловой и электрической энергии;
в) описание разработки лабораторной установки быстрого пиролиза;
г) результаты испытаний лабораторной установки быстрого пиролиза;
д) результаты исследования кинетики деструкции различных видов биомассы с целью установления оптимальных условий, при которых достигаются высокие скорости превращения и конверсии исходного сырья;
е) описание разработки и изготовления экспериментальных образцов катализаторов очистки газообразных продуктов быстрого пиролиза на основе алюмосиликатов и металлов подгруппы железа;
ж) результаты экспериментальных исследований активности катализаторов термической очистки газообразных продуктов пиролиза биомассы и обоснование выбора оптимальной каталитической системы, а также расчет времени эффективной работы катализатора;
з) описание разработки методологических подходов и технологических принципов переработки углеродсодержащих отходов растительного происхождения методом быстрого пиролиза;
и) описание разработки технологических режимов по поддержанию оптимальных условий процесса быстрого пиролиза;
к) результаты экспериментальных исследований процессов восстановления разрабатываемых катализаторов очистки газообразных продуктов быстрого пиролиза на основе алюмосиликатов и металлов подгруппы железа от углеродных загрязнений;
л) результаты экспериментальных исследований качества получаемых газообразных, жидких и твердых экспериментальных образцов;
м) результаты экспериментальных исследований физико-химических свойств получаемых твердых экспериментальных образцов (углеродных сорбентов);
н) результаты оценки воздействия на окружающую среду и определение экологического эффекта от внедрения разрабатываемых технологических решений быстрого пиролиза;
о) описание разработки экспериментального образца мобильного энергокомплекса быстрого пиролиза для тепло- и энергоснабжения автономных потребителей;
п) требования к комплектующему оборудованию экспериментального образца мобильного энергокомплекса быстрого пиролиза для тепло- и энергоснабжения автономных потребителей и его выбор;
р) теоретическую оценку эффективности работы экспериментального образца мобильного энергокомплекса быстрого пиролиза в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
с) результаты испытаний экспериментального образца мобильного энергокомплекса быстрого пиролиза для тепло- и энергоснабжения автономных потребителей;
т) технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов ПНИ;
у) рекомендации и предложения по использованию результатов ПНИ;
ф) обобщения и выводы по результатам ПНИ.
2. Отчет о патентных исследованиях в соответствии с ГОСТ Р 15.011-96.
3. Лабораторная методика проведения процесса быстрого пиролиза.
4. Методики анализа газообразных, жидких и твердых экспериментальных образцов в составе:
- Методика исследования состава и теплотворной способности газообразных продуктов быстрого пиролиза;
- Методика исследования состава и теплотворной способности жидких продуктов быстрого пиролиза;
- Методика исследования физико-химических свойств твердых углеродных остатков быстрого пиролиза.
5. Эскизная конструкторская документация на лабораторную установку быстрого пиролиза.
6. Лабораторный технологический регламент переработки углеродсодержащих отходов растительного происхождения.
7. Программы и методики экспериментальных исследований:
а) Программа и методики экспериментальных исследований процесса быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения;
б) Программа и методики экспериментальных исследований кинетики деструкции различных видов биомассы;
в) Программа и методики экспериментальных исследований активности катализаторов термической очистки газообразных продуктов пиролиза биомассы;
г) Программа и методики экспериментальных исследований процессов восстановления разработанных катализаторов очистки газообразных продуктов быстрого пиролиза на основе алюмосиликатов и металлов подгруппы железа от углеродных загрязнений.
8. Методика исследования катализаторов для термической очистки газообразных продуктов быстрого пиролиза.
9. Методики синтеза и восстановления катализаторов термической очистки газообразных продуктов быстрого пиролиза.
10. Эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец мобильного энергокомплекса быстрого пиролиза для тепло- и энергоснабжения автономных потребителей.
11. Схемы тепловых узлов и электрических цепей экспериментального образца мобильного энергокомплекса для тепло- и энергоснабжения автономных потребителей.
12. Программа и методики испытаний экспериментального образца мобильного энергокомплекса.
13. Методика теоретической оценки эффективности энергокомплекса.
14. Эксплуатационная документация на экспериментальный образец мобильного энергокомплекса быстрого пиролиза для тепло- и энергоснабжения автономных потребителей.
15. Экспериментальные образцы газообразных, жидких и твердых продуктов пиролиза.
16. Экспериментальный образец мобильного энергокомплекса для тепло- и энергоснабжения автономных потребителей.
17. Лабораторная установка быстрого пиролиза.
18. Экспериментальные образцы катализаторов очистки газообразных продуктов быстрого пиролиза на основе алюмосиликатов и металлов подгруппы железа.
19. Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.
20. Проект технического задания на проведение прикладной ОТР: «Создание технологии быстрого пиролиза углеродсодержащих отходов растительного происхождения с получением тепловой и электрической энергии и углеродных сорбентов».
Рентабельность использования данного энергетического комплекса подтверждается получением следующей товарной продукции:
- пиролизный газ (горючий газ с высокой теплотой сгорания – предназначенного для использования в
энергетических системах и системах потребления газа);
- пиролизная нефть (представляющая из себя нефтяную фракцию) - предназначенная либо для дальнейшей
переработки на установках органического синтеза, либо для использования как печного топлива в системах
ТЭЦ и котельных, вместо мазута М-100, печного топлива;
- углеродный остаток - предназначенный для использования в металлургии, химической и пищевой
промышленности, как активированные угли, в сельском хозяйстве (как удобрения), в системе ЖКХ и
энергетики (как высококалорийное топливо);
- тепловая энергия (высвобождаемая в процессе быстрого пиролиза) - предназначена для использования в
отопительных или охладительных системах предприятия, или для выработки электроэнергии посредством
парогенераторов.
Основными параметрами эффективности работы энергокомплекса являются:
1) Высокая теплота сгорания получаемых горючих газов (не менее 25 МДж/нм3);
2) Высокие концентрации легких углеводородов С1-С4 (не менее 20% объемн.);
3) Низкое содержание остаточной влаги в газообразных продуктах (не более 0,1% масс.);
4) Низкое содержание остаточных смол (не более 500 мг/нм3);
5) Увеличение коэффициента преобразования химической энергии сырья на всех стадиях процесса переработки в конечные продукты – электрическую и тепловую энергию на 10-15%;
6) Высокое качество получаемых углеродного остатка (высокие значения удельной площади поверхности, развитая система микропор, высокие сорбционные емкости по отношению к широкому спектру адсорбатов, высокие прочностные показатели).

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
В настоящей работе предполагается выполнить исследования, которые сформируют основу для разработки мобильного энергокомплекса мощностью (до 2 МВт/ч) для получения тепловой и электрической энергии из сельскохозяйственных отходов. Данный энергокомплекс способен перерабатывать различные виды отходов растительного происхождения влажностью не более 30% масс. и размером фракции не более 2 мм:
костра льна;
солома и ботва сельскохозяйственных культур;
лузга риса, овса, просо, гречки, пшена, злаковых культур;
скорлупа орехов;
фрезерный торф;
древесные опилки различного сорта древесины.
Разрабатываемая технология экологически чистой переработки углеродсодержащих отходов растительного происхождения на основе быстрого пиролиза пиролиза и должна обеспечить не только решение экологической проблемы, но и увеличение поступлений в бюджет за счет следующих факторов:
выработку электрической и тепловой энергии до 2 МВт в час (380 В, 50 Гц);
эффективное использование биомассы в качестве источников энергии на основе применения методов быстрого пиролиза;
создание новых перспективных материалов природоохранного назначения (в том числе, сорбентов) на основе использования возобновляемого сырья;
получение конкурентоспособного топлива (горючих газов, жидких углеводородов) с высокой теплотворной способностью;
экономия природного газа, угля, мазута и других невозобновляемых энергоносителей;
повышение энергетической безопасности, снижение зависимости от поставок привозных видов топлива;
отсутствия вредных выбросов в процессе переработки отходов (выбросы соответствуют нормам СанПиН);
тиражирование базовых технологий;
расширение экспортных возможностей;
получение мультипликативного эффекта за счет развития транспорта, машиностроения, строительства, снижения экологической нагрузки на природную среду;
рост социальных показателей развития территорий (увеличение бюджетов всех уровней, рост заработной платы, увеличение количества рабочих мест и т.д.);
внедрение инноваций, повышение научно-технического уровня производства, создание элементов нового технического уклада;
создание условий для активизации инвестиционных процессов и международного сотрудничества;
поддержка и развитие научно-технического потенциала;
развитие наукоемких технологий и сервисных предприятий.
Разрабатываемый комплекс будет основан на принципе «теплового удара» углеродсодержащих отходов сельского хозяйства с получением горючих газов, которые будут использоваться для выработки электрической энергии в газодизельном генераторе. Ценным продуктом переработки является высокоуглеродный остаток, который может быть использован в качестве эффективного сорбента очистки сточных вод либо в качестве углеродного наполнителя в резинотехнического или сталелитейной промышленности.
Использование такой технологической схемы в процессе переработки позволит увеличить энергоэффективность сельского хозяйства за счет вовлечения производственных отходов в получение электроэнергии, что приведет к снижению стоимости получаемой продукции. Развитие технологии использования возобновляемого нетрадиционного сырья позволит решить проблемы снабжения электроэнергией удаленных от линий электропередачи фермерских хозяйств.

Текущие результаты проекта:
По итогам выполнения первого этапа проекта достигнуты следующие научные и научно-технические результаты: подготовлен аналитический обзор современной научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов в области быстрого пиролиза углеродосодержащих отходов растительного происхождения с генерацией тепловой и электрической энергии; обоснована актуальность проводимых исследований, а также выбора их направлений, методов и средств быстрого пиролиза с дальнейшей генерацией тепловой и электрической энергии; подготовлен отчет о патентных исследованиях в соответствии с ГОСТ 15.011-96, подтверждена охраноспособность и патентная чистота ожидаемых научно-технических результатов; подготовлен комплекс лабораторных методик для дальнейшего проведения экспериментальных исследований на последующих этапах выполнения работ, включая методику проведения собственно процесса быстрого пиролиза и методики анализа газообразных, жидких и твердых экспериментальных образцов; разработана эскизная конструкторская документация на лабораторную установку быстрого пиролиза; разработана и изготовлена лабораторная установка быстрого пиролиза; проведены испытания лабораторной установки быстрого пиролиза.