Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка технологии и технических решений политопливного газогенератора на базе местных и возобновляемых топливных ресурсов

Докладчик: Подгородецкий Геннадий Станиславович

Должность: заведующий кафедрой ЭРЧМ

Цель проекта:
1. Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект. В настоящее время более 60% тепловой и электрической энергии в мире вырабатывается за счет сжигания угля. Генерация тепловой и электрической энергии на угольных станциях сопровождается выбросами ряда экотоксикантов таких ка оксиды серы, азота, мышьяка, хлорорганических соединений (диоксинов, фуранов) и др. В то же время сжигание твердого топлива сопровождается образованием сотен миллионов тонн золошлаковыхвых остатков. Недожег в существующих генераторах доходит до 10 - 15%. Все это приводит к значительному загрязнению окружающей среды. С другой стороны в мире накоплены десятки миллиардов тонн отходов добычи и обогащения углей. Продолжают накапливаться твердые бытовые отходы. Практически не используется торф. Все эти виды твердого топлива могут служить источником тепла и электроэнергии. В то же время в РФ имеются целые регионы, особенно в Сибири и на Дальнем Востоке, лишенные возможности использовать для этих целей природный газ. Отопление этих регионов и производство электроэнергии в них осуществляется путем сжигания завозимого угля, жидкого печного топлива. Эти проблемы приводят к высокой стоимости генерации тепла и электроэнергии и катастрофическому загрязнению окружающей среды. В данной научно-исследовательской работе поставлена задача изучения возможности генерации тепла и электроэнергии в газогенераторах барботажного типа с использованием твердых, жидких и газообразных видов топлива. Также поставлены задачи исследования возможности генерации тепла и электроэнергии при сжигании отходов добычи и обогащения углей, твердых бытовых отходов, торфа и других горючих отходов. 2. Формулировка цели реализуемого проекта; конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта; места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы. Основными целями проекта явлются разработка и опробование в экспериментальном режиме принципиально нового способа теплогенерации путем использования газогенератора барботажного типа с жидкой шлаковой ванной, позволяющего практически безотходно сжигать широкий спектр твердого топлива, такого как угли, отходы добычи и обогащения углей, твердые бытовые отходы, торфы, сапропели в комбинации или раздельно с жидкими и газообразными видами топлива.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
1.1 Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ, содержащие:
а) анализ научно-технической литературы, нормативно-технической документации и других материалов в области создания теплогенерирующих систем мощностью 0,1-0,5 МВт с использованием различных топлива;
б) обоснование выбора направления исследований;
в) результаты исследовательских испытаний горения различных типов топлива (политоплива);
г) оценку полноты решения задачи и достижения поставленных целей ПНИ;
д) обобщение и выводы по результатам ПНИ;
1.2 Отчет о патентных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
1.3 Лабораторный технологический регламент сжигания различных типов топлива.
1.4 Программа и методики исследовательских испытаний установки по сжиганию твердого топлива (угля), жидкого (печное), газообразного (природный газ) топлива.
1.5 Конструкторская документация на установку по сжиганию твердого топлива (угля), жидкого (печное), газообразного (природный газ) топлива.
1.6 Установка по сжиганию твердого топлива (угля), жидкого (печное), газообразного (природный газ) топлива.
1.7 Протоколы исследовательских испытаний установки по сжиганию твердого топлива (угля), жидкого (печное), газообразного (природный газ) топлива.
1.8 Технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации попутной продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера -организации реального сектора экономики.
1.9 Технико-экономическое обоснование (ТЭО) и технического задания (ТЗ) на создание опытно–промышленной установки политопливного газогенератора.
1.10 Конструкторской документации (КД) опытно – промышленной установки политопливного газогенератора.

2. Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), планируемой научной (научно-технической, инновационной) продукции.
2.1 Требования по назначению научно-технических результатов ПНИ
2.1.1 Технология сжигания топлива должна предусматривать сжигание не менее трех типов топлива (твердое топливо (уголь), жидкое (печное), газообразное (природный газ)) в одном реакторе без его модернизации.
2.1.2 Разрабатываемая установка для сжигания топлива должна быть предназначена для горения образцов топлива различного агрегатного состояния и свойств при заданных температурах.
2.1.3 Конструкция разрабатываемой установки должна обеспечивать горение образцов топлива различного агрегатного состояния и свойств при температурах 1450-1550 оС без образования значительных количеств токсичных выбросов.
2.1.4 Создаваемая установка по сжиганию политоплива должна обеспечивать производительность не менее 50 кг/ч (по угольному эквиваленту).
2.1.5 Полученные результаты и разработанные основы технологии должны быть ориентированы на применение в реальном секторе экономики, в том числе в сфере ЖКХ.
2.1.6 Разработанная технология подготовки техногенных возобновляемых угольных месторождений (отходов добычи, обогащения и сжигания на ТЭС углей) к переработке позволит осуществить комплексное использование угольного потенциала за счет селекции из отходов широкого спектра товарной продукции.
2.1.7 Разработанные рекомендации подготовки углеотходов к комплексной переработке должны обеспечить производство попутной продукции нетопливного назначения, имеющей спрос в разных отраслях промышленности (производство строительных материалов, адсорбентов, удобрений и др.) и производство продукции с новыми потребительскими свойствами, способствующими расширению
существующих и формированию новых рынков.
2.1.8 Техническое задание должно обеспечить решение вопроса по определению основных и вспомогательных операций технологических схем сепарации углесодержащего сырья, в том числе и относящегося к возобновляемым ресурсам с учетом специфики сырьевой базы сырья.
2.1.9 Рекомендации по аппаратурному оформлению технологических схем должны позволить проанализировать номенклатуру оборудования для каждой из операций и выбрать оптимальное оборудование.
2.2. Показатели назначения, технические характеристики научно-технических результатов ПНИ
2.2.1. Установка для сжигания топлива должна иметь производительность по исходному сырью не менее 50 кг/ч (в угольном эквиваленте) и обеспечивать поддержание устойчивого температурного режима в диапазоне 1450-1550 оС.
2.2.2. Установка по сжиганию твердого топлива (угля), жидкого (печное), газообразного (природный газ) топлива должна иметь возможность последовательного использования либо газообразного, либо жидкого, либо твердого топлива.
2.2.3. Экспериментальная политопливная установка должна обеспечивать следующие параметры газообразных выбросов:
- концентрация золы в отходящих газах после зоны горения - 30-40 г/м3 ;
- концентрация СО после реактора – менее 200 мг/м3;
- концентрация NOX после реактора – менее 100 мг/м3;
- концентрация SOX после реактора – менее 20 мг/м3;
- концентрация ПХДД/ПХДФ в диоксиновом эквиваленте после реактора – менее 9мг/м3;
2.2.4. Экспериментальная политопливная установка должна иметь должна обеспечивать достижение помимо параметров, указанных в п.4.2.3., дополнительно следующие показатели:
- концентрация золы в отходящих газах после узла очистки - 0.3-0.5г/м3;
- класс опасности золы - 4.
- коэффициент полезного использования топлива не менее 97% масс.
2.2.5. Технология подготовки техногенных возобновляемых угольных месторождений позволит извлечь уголь из углесодержащих пород вскрыши, выделить органическую составляющую из золотоотвалов угольных ТЭС, подготовить отходы углеобогащения к сжиганию.

3. Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик и решений.
Разрабатываемые в ходе выполнения ПНИ политопливный газогенератор, реализуемый на базе барботажного процесса газификации, позволит эффективно газифицировать (сжигать) широкий спектр суррогатных и возобновляемых видов твердых отходов, в том числе твердых бытовых отходов. Реализуемый в ходе выполнения ПНИ подход к проблеме эффективного сжигания такого вида твердого топлива не имеет аналогов в мировой практике и обладает элементами научной новизны как в технологии этого процесса, так и в области конструкционного оформления.

4. Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
В нашей стране работы по газификации угля и отходов углеобогащения велись с 1930-х по 1960-е годы . Однако открытие и освоение крупных газовых месторождений на Востоке страны привело к практически полному прекращению этих работ.
За рубежом исследования в этой области продолжаются. Известны различные способы газификации угля, наиболее распространенными из которых являются процессы Лурги, Винклера, Тексако, Копперс-Тотцек. Несмотря на то, что некоторые из этих процессов
получили достаточно широкое распространение, поиск более эффективных способов использования энергии угля продолжается.
За рубежом ведутся исследования в области эффективного сжигания суррогатных видов твердого топлива, в том числе твердых бытовых отходов. Опробованы в опытно-промышленном масштабе технологии газификации с помощью энергии плазмы.
Все существующие на сегодняшний день технологии имеют недостатки, не позволяющие тиражировать их в промышленном масштабе. К ним относятся:
- неполное использование углерода топлива (недожег);
- необходимость складирования минеральной составляющей твердого топлива (золо- шлакоотвалы);
- необходимость дорогостоящей и недостаточно эффективной очистки отходящий газов, особенно от хлорорганических соединений (диоксины, фураны);
- низкая экономическая эффективность, не позволяющая окупать существенные капиталовложения в приемлемые сроки.
Реализуемый в данной ПНИ подход позволит устранить перечисленные недостатки.

5. Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
В ходе выполнения ПНИ будет изготовлен и опробован пилотный образец политопливного газогенератора нового поколения. На пилотном образце будут опробованы и отработаны режимы газификации (сжигания) различных видов твердого топлива, в том числе в комбинации со сжиганием жидких и газообразных видов топлива. В ходе опробования будут определены основные технологические параметры работы газогенератора, проверены его конструкционные элементы.
Основные риски реализации ПНИ лежат в области достаточной стойкости элементов конструкции газогенератора, особенно в области неохлаждаемой зоны газогенератора. Эти риски будут устраняться путем использования новых конструктивных решений и новых, в том числе плавленных огнеупорных материалов.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1.Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться или планируемая на их основе инновационная продукция).
Успешное завершение предлагаемой ПНИ позволит перейти на следующую стадию НИОКР - отработку технологии сжигания различных видов топлива в политопливном газогенераторе в опытно-промышленных масштабах. Компактные, высокопроизводительные теплогенераторы востребованы, особенно в условиях Сибири и Дальнего Востока.
Одним из наиболее перспективных направлений использования результатов ПНИ является отработка режимов работы газогенератора без полного сжигания выделяющихся в реакторе горючих газов, т.е. в режиме получения синтез газа. Синтез газ находит широкое применение в энергетике, химической промышленности, металлургии. Предварительны расчеты показывают, что стоимость синтез газа,
полученного из техногенных горючих отходов в 1,5 -2,0 раза ниже, чем у синтез газа полученного при
конверсии природного газа.
Разрабатываемые политопливные газогенераторы востребованы в области энергетики, металлургии, химической промышленности, найдут свое применение в области ЖКХ.

2. Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования
Успешное опробование политопливного газогенератора в опытно-промышленном режиме позволит создать линейку промышленных компактных, в том числе мобильных, установок мощностью от 0,1 до 0,5 МВт, с перспективой увеличения мощности до 10 МВт.

3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений; разработка новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сфере. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечении развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Успешное выполнение реализуемых ПНИ позволит создать предпосылки для реализации востребованного направления развития энергетики - безотходной газификации (сжигания) твердых, в том числе суррогатных, видов топлива с минимизацией вредных выбросов. Широкое внедрение установок для переработки отходов углеобогащения, торфа, твердых бытовых отходов будет иметь значительный экономический, экологический и социальный эффект.

Текущие результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ выполнены следующие работы:
Проведен аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающий научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ.
Проведено исследование объекта ПНИ, обоснование выбора направления исследований.
Разработана блок-схема установки по сжиганию твердого топлива (угля, отходов обогащения угля, торфа, твердых бытовых отходов), жидкого (печное), газообразного (природный газ) топлива в составе:
- газогенератор
- система подачи сжатого воздуха и кислорода
- система охлаждения
- котел – охладитель
- система очистки отходящих газов
- узел приемки твердых, жидких и газообразных материалов
- узел обогащения твердого топлива;
- узел окускования твердого топлива (производства брикетов на базе экструдера).
Разработаны технические принципы работы политопливного газогенератора и основных компонентов технологической цепи. Проведены патентные исследования по ГОСТ
Реализована закупка материалов, оборудования и покупных комплектующих изделий для узлов экспериментального образца установки политопливного газогенератора для производства тепловой и электрической энергии, производительностью 50 кг/час: