Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка и создание экспериментального многофункционального энерготехнологического комплекса для низкотемпературного пиролиза биомассы.

Докладчик: Зайченко Виктор Михайлович

Должность:  заведующий отделом

Цель проекта:
Проведение экспериментальных исследований в обоснование технологического процесса термохимической переработки биомассы, разработка и создание экспериментального полномасштабного энерготехнологического когенерационного комплекса (ЭТКК) на базе газопоршневых отечественных двигателей, производящего электроэнергию, тепло и твердое биотопливо с улучшенными потребительскими характеристиками. Разработка технических, конструкторских и технологических решений для последующей организации промышленного производства ЭТКК на специализированном машиностроительном предприятии ОАО «Продмаш», г. Ростов-на-Дону (индустриальный партнер).

Основные планируемые результаты проекта:
Основная идея, заложенная в разрабатываемую технологию, – использование для непосредственного нагрева исходной биомассы отходящих газов газопоршневой энергоустановки [Патент РФ «Энерготехнологический комплекс с торрефикатором биопеллет» № 136801 от 20.01.2014]. При этом реализуется эффективный принцип когенерации, когда одновременно с получением основного целевого продукта – торрефицированных биогранул – энерготехнологический когенерационный комплекс (ЭТКК) производит электроэнергию и тепло для собственных нужд комплекса. Тем самым обеспечивается максимальная эффективность и управляемость всего энерготехнологического комплекса, совершенствуется технология производства твердого биотоплива и повышаются его потребительские свойства, что увеличивает его экспортный потенциал. Задачи ПНИ, вытекающие из целей проекта, можно разбить на следующие основные группы:
1. Обоснование выбора характеристик термохимического реактора для низкотемпературного пиролиза различных видов биомассы. Для этого будут проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов, протекающих при низкотемпературном пиролизе различных видов биомассы, с целью определения влияния режимных параметров процесса на теплотехнические характеристики получаемого твердого биотоплива.
При низкотемпературном пиролизе (нагрев до температур порядка 300 град. С в инертной газовой среде) происходит термическая деструкция биомассы, сопровождающаяся потерей массы, перестройкой внутренней структуры и изменением соотношения между основными элементами (углерод, кислород, водород). Это, в свою очередь, приводит к изменению основных теплотехнических характеристик перерабатываемого сырья, определяющих целесообразность его использования в качестве твердого топлива. К таким характеристикам, прежде всего, относятся: удельная теплота сгорания, содержание летучих и предельная гигроскопичность. Изменение режимных параметров термообработки (скорость нагрева, температура, время выдержки) существенным образом сказывается на перечисленных выше характеристиках. Важной особенностью предлагаемого подхода является использование в качестве газа-теплоносителя, непосредственно контактирующего с перерабатываемым сырьем, отходящих газов газопоршневого двигателя (продуктов сгорания природного газа). В ходе проведения исследований будут получены данные по зависимости потери массы обрабатываемого сырья, удельной теплоты сгорания, содержания летучих и предельной гигроскопичности конечного продукта от скорости нагрева, температуры и времени термической обработки. Будет определен диапазон изменения состава продуктов сгорания, в пределах которого отходящие газы могут использоваться в качестве газа-теплоносителя. При проведении исследований будут использованы хорошо освоенные участниками проекта современные экспериментальные методы:
- термогравиметрический анализ – для определения потери массы в процессе нагрева, содержания летучих и скорости термической деструкции;
- методы элементного анализа – для определения элементного состава исходного и обработанного сырья;
- газовая хроматография – для определения газовых компонентов в составе летучих продуктов исходного и обработанного сырья;
- дифференциальная сканирующая калориметрия – для определения тепловых эффектов, сопровождающих нагрев различных видов биомассы;
- метод калориметрической бомбы – для определения теплоты сгорания исходного и обработанного сырья.
2. Разработка способа утилизации продуктов пиролиза перерабатываемой биомассы.
Одна из принципиальных задач при реализации технологии – эффективная утилизация пиролизных парогазовых смесей, образующихся при термической деструкции биомассы в процессе торрефикации. Для решения этой задачи на основе анализа существующих методов (дожигание, каталитические методы, СВЧ-резонансные методы и т.п.), будет исследован и реализован метод утилизации экологически вредных продуктов пиролиза перерабатываемой биомассы с учетом того, что в технологической схеме они входят в состав газа-теплоносителя в относительной небольших концентрациях.
3. Разработка математической модели ЭТКК для расчета потоков массы и энергии и определения оптимальных параметров работы различных агрегатов энерготехнологического комплекса (термохимический реактор, газопоршневая установка, электрогенератор, теплообменный модуль).
Поскольку все агрегаты и элементы энерготехнологического комплекса взаимосвязаны, для определения оптимальных режимов, расчета технико-экономической эффективности, реализации возможности масштабирования необходимо провести численные эксперименты на математической модели ЭТКК. Математическая модель ЭТКК будет строиться на основе уравнений баланса потоков массы и энергии, моделей отдельных агрегатов и внутренних связей между ними. Для реализации оптимизационных процедур будут использованы разработанные исполнителями проекта эффективный алгоритм многопараметрической оптимизации и современные численные методы. Верификация расчетной программы будет осуществляться по результатам экспериментальных исследований на стендовой экспериментальной установке. Результаты расчетов послужат основой для разработки системы автоматического регулирования ЭТКК.
4. Модернизация стендовой установки ОИВТ РАН, моделирующей работу ЭТКК, и проведение стендовых экспериментов. Задача этого этапа работ – смоделировать на физической модели ЭТКК все основные элементы комплекса, реализовать алгоритм системы управления, исследовать отдельные стадии технологического процесса и проверить эффективность принципиальных технологических решений.
Для решения этих задач необходимо:
- спроектировать и изготовить устройства предварительного подогрева пеллет до температуры 80-100 град. C;
- разработать и изготовить автоматизированное устройство для загрузки пеллет в реактор торрефикации; разработать и реализовать систему автоматизации поддержания оптимальных параметров газа-теплоносителя;
- разработать автоматизированные устройства для разгрузки реактора, охлаждения пеллет и выгрузки охлажденных пеллет;
- отработать систему аварийной защиты реактора от возгорания сырья.
5. Создание экспериментального образца ЭТКК на площадке Индустриального партнера ОАО «Продмаш» (г. Ростов-на-Дону). Для решения этой задачи необходимо по результатам теоретических и экспериментальных исследований разработать техническую документацию на экспериментальный образец ЭТКК производительностью по исходному сырью 200 кг/час, изготовить отдельные агрегаты и вспомогательные устройства, подготовить площадку и выполнить монтаж оборудования экспериментального образца ЭТКК. При этом необходимо обеспечить авторский надзор за подготовкой рабочей технической документации и изготовлением установки. Индустриальный партнер ОАО «Продмаш» располагает квалифицированным производственным персоналом, современной машиностроительной базой и собственным конструкторским бюро.
6. Проведение совместных испытаний установки в заводских условиях для подтверждения расчетных характеристик. Корректировка технической документации, доработка комплекса по результатам испытаний.
7. Проведение маркетинговых исследований для определения рынка сбыта опытной партии ЭТКК, потребностей потенциальных заказчиков по виду перерабатываемого сырья (тип сельскохозяйственных отходов, древесные отходы и т.п.), производительности и комплектности установок.
8. Разработка рекомендаций по использованию результатов ПНИ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
На начальном этапе реализации результатов проекта предполагается организация промышленного производства опытной партии энерготехнологических комплексов по производству кондиционных топливных пеллет на заводе ОАО «Продмаш» (г. Ростов-на-Дону) для обеспечения регионального рынка Южного федерального округа (ЮФО). Индустриальный партнер проекта – ОАО «Продмаш» – подтвердил свою заинтересованность в освоении промышленного производства энерготехнологических когенерационных комплексов. Учитывая основную продукцию завода – грануляторы и автоматизированные линии по грануляции различных сыпучих материалов, ОАО «Продмаш» сможет комплексно решать задачи утилизации сельскохозяйственных отходов с получением кондиционного топлива для предприятий агропромышленного комплекса (АПК) ЮФО. В зависимости от масштабов предприятий АПК, возможен выпуск установок различной производительности.
При большом спросе на региональном рынке возможна продажа лицензий на выпуск подобной продукции на машиностроительных предприятиях других регионов, в частности, на северо-западе России, где сосредоточены предприятия по выпуску топливных пеллет. Оснащение предприятий АПК подобными установками будет способствовать решению нескольких задач: замене низкосортного, минерального топлива, используемого в котельных, на экологически безопасное гранулированное биотопливо, допускающее его длительное хранение и перевозку на значительные расстояния; созданию новых рабочих мест; утилизации отходов сельскохозяйственного производства. При дальнейшем расширении производства появятся экспортные возможности, в частности, возможен выход на рынок стран СНГ.

Текущие результаты проекта:
1. Подготовлен аналитический обзор литературы в предметной области проекта.
2. Разработана принципиальная схема и математическая модель энерготехнологического когенерационного комплекса.
3. Разработана эскизная конструкторская документации на модернизацию стендовой модели ЭТКК.
4. Разработана программа лабораторных измерений физико-химических свойств исходного биосырья, торрефицированныхпеллет, пиролизных газов.
5. Разработан метод очистки пиролизных газов от вредных примесей.
6. Проведены патентные исследования.
7.Проведены лабораторные эксперименты по определению физико-химических свойств исходного биосырья, торрефицированных пеллет, пиролизных газов.
8.Разработана программа и методика испытаний стендовой модели ЭТКК.