Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.578.21.0065

Руководитель: Подгородецкий Геннадий Станиславович

Должность: И.о. заведующего кафедрой ЭРПТ

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
уголь, отходы обогащения углей, торф, возобновляемые источники, твердые бвтовые отходы, жидкое топливо, газообразное топливо, газогенератор

Цель проекта:
1. 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 как: оксиды серы, азота, мышьяка, хлорорганические соединения (диоксины, фураны) и др. Сжигание твердого топлива сопровождается образованием сотен миллионов тонн золошлаковых остатков. Недожог в существующих генераторах доходит до 10 - 15%. 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 РФ имеются целые депрессивные регионы, особенно в Сибири и на Дальнем Востоке, лишенные возможности использовать для этих целей природный газ, в то же время располагающие значительными запасами таких видов твердого топлива как торф, отходы деревообработки, твердые бытовые отходы и т.д. Их переработка в газогенераторах позволит производить тепловую и электрическую энергию, себестоимость которой кратно ниже существующих цен. Массовое внедрение технологии производства тепла и электроэнергии в депрессивных регионах из местных источников энергии позволит решить ряд социальных и экологических проблем, будет способствовать развитию регионов. 2. Цели реализуемого проекта: 2.1 Разработка технологий для создания теплогенерирующих систем мощностью 0,5 МВТ и выше с использованием различных видов топлива, включая возобновляемые ресурсы c акцентом на местные виды топлива Сибири и Дальнего Востока. Использование местных энергоресурсов и принципа политопливности в теплогенерирующем оборудовании мирового уровня позволит повысить энергоэффективность и снизить себестоимость теплогенерации в удаленных и труднодоступных регионах. 2.2 Вовлечение в процессы теплогенерации не использующихся в настоящее время отходов добычи и обогащения углей, твердых бытовых отходов, использование возобновляемых источников топлива таких как торф, сапропели, отходы деревообработки, биотопливо. Это позволит решать также экологические проблемы, связанные с хранением техногенных отходов углеобогащения и твердых бытовых отходов. 1.3. Разработка безотходной технологии и технических решений политопливного газогенератора для газификации различных видов твердого, жидкого и газообразного топлива с полным селективным извлечением полезных компонентов твердого топлива в товарные продукты.

Основные планируемые результаты проекта:
В процессе выполнения прикладных научных исследований должны быть:
1.1 Оформлены и представлены Заказчику промежуточные и заключительный отчеты по ПНИ, содержащие в том числе:
1.1.1 Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР, в том числе обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и (или) российских научных журналах, монографии и (или) патенты – не менее 15 научно-информационных источников за период 2009 – 2013 год.
1.1.2. Исследование объекта ПНИЭР, обоснование выбора направления исследований.
1.1.3. Блок-схему 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, узел приемки твердых, жидких и газообразных материалов, узел окускования твердого топлива (производства брикетов на базе экструдера).
1.1.4. Технические принципы работы политопливного газогенератора и основных компонентов технологической цепи.
1.1.5. ТЭО разработки политопливного(угля, отходов обогащения угля, торфа, твердых бытовых отходов, жидкого (печное), газообразного (природный газ) топлива) газогенератора для производства тепловой и электрической энергии, производительностью 50 кг/час
1.2 В процессе выполнения ПНИ должны быть разработаны:
1.2.1. Отчет о патентных исследованиях по ГОСТ 15.011-96
1.2.2 Программы и методики исследовательских испытаний установки по сжиганию твердого топлива (угля, отходов обогащения угля, торфа, твердых бытовых отходов), жидкого (печное), газообразного (природный газ) топлива.
1.2.3 Разработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) экспериментального образца установки политопливного газогенератора.
1.2.4 Выполнено технико-экономическое обоснование (ТЭО) строительства политопливного газогенератора для производства тепловой и электрической энергии, производительностью 50 кг/час
1.2.5 Проведены экспериментальные исследования по исследованию физико-
химических свойств различных видов твердого топлива: углей, отходов углеобогащения, торфа, твердых бытовых отходов.
1.2.6 Проведены экспериментальные испытания окускования различных видов твердого
топлива с добавками различных видов связующего на участке окускования.
1.2.8 Разработан рабочий проект экспериментальной установки политопливного газогенератора.
1.2.9 Проведены лабораторные исследования по раздельному сжиганию жидких и газообразных видов топлива в слое расплавленного шлака.
1.2.10 Проведены лабораторные исследования по раздельному сжиганию твердых видов топлива в слое расплавленного шлака.
1.2.11 Проведено горячее опробование политопливного газогенератора в режиме наплавки шлака.
1.2.12 Проведены экспериментальные исследования по раздельному сжиганию твердого топлива в политопливном газогенераторе.
1.2.13 Разработан предварительный технологический регламент переработки различных видов твердого топлива в политопливном газогенераторе.
1.2.14 Разработано ТЭО и технического задания (ТЗ) на создание опытно – промышленной установки политопливного газогенератора.
1.2.15 Проведены экспериментальные исследования по раздельному и совместному сжиганию твердого топлива в политопливном газогенераторе.
1.3 В процессе ПНИ должны быть изготовлены:
1.3.1 Экспериментальный образец установки политопливного газогенератора, в том числе:
1.3.1.1 Участок приемки твердых, жидких и газообразных материалов.
1.3.1.2 Участок обогащения твердого топлива.
1.3.1.3 Участок окускования твердого топлива.
1.3.1.4 Участок аналитического оборудования.
1.3.1.5 Политопливный газогенератор.
1.3.2 Конструкторская документация (КД) опытно– промышленной установки политопливного газогенератора.

2. Основные характеристики планируемых результатов
2.1.1 Технология сжигания различных видов топлива должна предусматривать сжигание не менее трех типов топлив (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 топлив различного агрегатного состояния и свойств при заданных температурах.
2.1.3 Конструкция разрабатываемой установки должна обеспечивать горение образцов топлив различного агрегатного состояния и свойств при температурах 1450-1550 оС без образования значительных количеств токсичных выбросов.
2.1.4 Создаваемая установка по сжиганию различных видов топлива 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.
1.1.7 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.
2.1.10 Разрабатываемая в ходе выполнения ПНИЭР технологии сжигания различных видов топлива и технические решения в конструкции политопливного газогенератора должны обладать новизной разработки.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом выполняемой ПНИЭР является технология и технические решения политопливного газогенератора. Технология построена на принципах барботажных процессов, реализуемых в жидкой шлаковой ванне, барботируемой кислородсодержащим газом. В шлаковый расплав загружаются различные виды твердого топлива, подготовленные соответствующим образом (как правило брикетированные и подсушенные). В зависимости от интенсивности подачи кислородсодержащего дутья и твердого топлива, в политопливном газогенераторе протекают процессы полного либо неполного горения органической части топлива. При полном горении топлива отходящий газ состоит из паров воды и углекислого газа. Выделяющееся тепло идет на нагрев отходящих газов, поддержание температуры шлаковой ванны и на нагрев охлаждающей корпус реактора воды. При неполном горении из шлаковой ванны выделяются преимущественно горючие газы (водород и монооксид углерода), т.е генераторные газы. Тепло отходящих газов используется на производство пара в котле-утилизаторе. Далее отходящие газы проходят стадию очистки и либо выбрасываются в атмосферу (при полном сжигании), либо поступают на дальнейшее использование в газовых турбинах, химических реакторах и т.д. Компоненты минеральной составляющей твердого топлива переходят в шлак. Ряд легколетучих компонентов топлива переходят в газовую фазу и улавливаются в агрегатах газоочистки. Таким образом реализуется безотходность технологии, поскольку практически все компоненты твердого топлива переходят в товарные продукты: шлак, концентрат цветных металлов и, в ряде случаев, металлический продукт. В качестве твердого топлива могут быть использованы низкосортные угли, отходы углеобогащения, торф, сапропели, отходы деревообработки, твердые бытовые отходы. В качестве энергоносителя в политопливном газогенераторе может использоваться практически все виды жидкого и газообразного топлива. Эти виды топлива могут использоваться в основном в качестве резервных.
2. Проведенный аналитический обзор и патентные исследования показали, что разрабатываемая технология и конструкция политопливного газогенератора содержит многочисленные элементы новизны научных и технологических решений. По результатам работы зарегистрировано 10 ноу-хау, поданы 3 заявки на изобретения.
3. Из многочисленных публикаций, посвященных технологиям газификации известно, что существует ряд технологий генерации газа из углей, реализованных на практике. К ним относятся газогенераторы по методу Винклера, Лурги, Копперс-Тотцек, Коноко-Филипс, Сименс.Все они обладают рядом недостатков, прежде всего тем, что в них могут использоваться только определенные виду углей, имеющих определенную крупность. Другим важным недостатком существующих технологий являются высокие капиталовложения. Наиболее близкой по техническим решениям и получемому результату является технология РОМЕЛТ, разработанная в НИТУ "МИСиС". Вней реализован принцип безотходности и политопливности. Однако и технология РОМЕЛТ не лишена недостатков, связанных с конструктивными особенностями печи.В разрабатываемой технологии все перечисленные недостатки устранены.
4. Все пути и способы достижения заявленных результатов подробно определены при составлении технического задания и плана-графика выполнения ПНИЭР. В настоящее время работы по теме ПНИЭР выполняются в строгом соответствии с планом-графиком. Возможные риски носят преимущественно экономический характер, связанный с высокими темпами инфляции и неустойчивым валютным курсом рубля. К технологическим рискам можно отнести риски невысокой стойкости огнеупоров нижней части газогенератора. Эти риски устраняются применением современных высокостойких огнеупоров.



Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Успешное завершение выполняемой ПНИЭР позволит перейти на следующую стадию НИОКР - отработку технологии сжигания различных видов топлива в политопливном газогенераторее в опытно -промышленных масштабах. Компактные, высокопроизводительные теплогенераторы востребованы,особенно в условиях Сибири и Дальнего Востока. Успешное опробование политопливного газогенератора в опытно - промышленном режиме позволит создать линейку компактных установок мощностью от 0,5 до 50 МВт. Область применения политопливных газогенераторов, работающих в режиме теплогенерации, - ЖКХ.
Одним из наиболее перспективных направлений использования результатов ПНИ будет 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 генераторного газа, полученного из техногенных горючих отходов в 1,5 -2,0 раза ниже, чем у природного газа (с учетом калорийности).
2. Практическое внедрение результатов ПНИЭР будет происходить по следующей схеме. Выбирается энергетическое предприятие (предприятие - потенциальный потребитель продукта), высказавшее заинтересованность в использовании разрабатываемого продукта. В этом случае часть экспериментальных исследований будет проведена на базе лабораторий предприятия - потенциального
потребителя и результаты данного исследования совместно с результатами исследования в лаборатории исполнителя проекта будут доложены на научно-техническом совете предприятия, в котором предполагается использование продукта. По результатам совещания принимается решение о проведении опытно-промышленных испытаний, затем промышленных испытаний. Данное взаимодействие позволяет
наглядно и непосредственно предоставить предприятию - потенциальному потребителю продукта положительные свойства его влияния на технологический процесс, определить технические и экономические преимущества использования продукта, сделать заказчика участником создания продукта с индивидуальными особенностями для данного предприятия. Параллельно научно-технические результаты ПНИЭР будут докладываться на научно-технических советах других предприятиях - потенциальных потребителях, так как сырьевые особенности энергетических предприятий предопределяют необходимость взаимодействия с каждым отдельно. Для ускорения прохождения процесса внедрения разрабатываемой технологии в промышленность предполагается проведение опытных компаний на экспериментальной установке политопливного газогенератора с использованием твердого топлива, используемого (или планируемого к использованию) на конкретном предприятии. По результатам опытных компаний будут разрабатываться ТЭО и КД промышленных образцов политопливного газогенератора с учетом требований конкретного заказчика.
3. Успешное завершение выполняемой ПНИЭР окажет существенное влияние на развитие прежде всего энергетики в масштабах как РФ, так и мировом. Выше упоминалось об острой востребованности разрабатываемой технологии для условий ряда регионов РФ, расположенных преимущественно в Сибири и на Дальнем Востоке. Аналогичные проблемы характерны для целого ряда стран не располагающих собственными существенными запасами природного газа и нефти. Заинтересованность в таких технологиях следует ожидать прежде всего от таких стран как Китай, Индия, Вьетнам и др.
Разработка технологии и технических решений политопливного газогенератора, и успешное их опробование в опытно-промышленных масштабах окажет значительное влияние на развитие ряда сопредельных отраслей, таких как энергетическое машиностроение. Другая возможная отрасль, заинтересованная в разрабатываемой технологии - химическая промышленность. Получаемый при газификации твердого топлива, особенно отходов, генераторный газ может служить дешевым источником для производства синтетического газа, различных видов жидкого топлива и других химических продуктов. Важным преимуществом разрабатываемой технологии является ее безотходность. Образующийся при газификации твердого топлива шлак может использоваться в качестве ценного строительного материала, в том числе для производства изделий шлакокаменного литья, теплоизоляции и т.д. Успешная реализация проекта окажет значительное влияние на социальную сферу, как с точки зрения развития депрессионных районов России, прежде всего Сибири и Дальнего Востока, так и с точки зрения создания многочисленных рабочих мест в энергетике, машиностроении, химической промышленности, строительстве.
4. Высокая актуальность разрабатываемой технологии подтверждается многочисленными публикациями, посвященными данной тематике, в ряде авторитетных высокорейтиноговых периодических изданиях. Публикация первых результатов данной ПНИЭР вызвала интерес как у отечественных, так и у зарубежных ученых и производственников. Проведены предварительные переговоры с рядом крупнейших мировых корпораций, специализирующихся в области машиностроения, энергетики и химической промышленности, таких как AIR LIQIDE, SIMENS и др. Ведутся переговоры о проведении совместных исследований по теме ПНИЭР. На базе монтируемой экспериментальной установки планируется создание научно-образовательного инжинирингового центра.

Текущие результаты проекта:
К настоящему времени выполнены следующие работы (в соответствии с планом-графиком).
1.1. Проведены патентные исследования по теме ПНИЭР
1.2. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической литературы, затрагивающий научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИЭР
1.3. Разработаны технические принципы работы политопливного газогенератора и основных компонентов технологической цепи
1.4. Разработана программа и методики исследовательских испытаний установки по сжиганию твердого топлива (угля, отходов обогащения угля, торфа, твердых бытовых отходов), жидкого (печное), газообразного (природный газ)
1.5. Закуплено оборудование, материалы, комплектующие и выполнен монтаж участка приемки твердых, жидких и газообразных материалов
1.6. Проведена закупка оборудования, материалов комплектующих и выполнен монтаж участка обогащения твердого топлива
1.7. Проведена закупка оборудования, материалов комплектующих и выполнен монтаж участка окускования твердого топлива
1.8. Проведена закупка и монтаж оборудования аналитического участка.
1.9. Выполнена разработка эскизной конструкторской документации (ЭКД) экспериментального образца установки политопливного газогенератора.
1.10. Выполнено технико-экономическое обоснование (ТЭО) строительства политопливного газогенератора для производства тепловой и электрической энергии, производительностью 50 кг/час.
1.11. Выполнен монтаж оборудования участков приемки твердых, жидких и газообразных материалов, обогащения твердого топлива, окускования твердого топлива, аналитического оборудования экспериментальной установки политопливного газогенератора.
2.1. Проведены экспериментальные исследования физико-химических свойств различных видов твердого топлива: углей, отходов углеобогащения, торфов, твердых бытовых отходов.
2.2. Проведены экспериментальные испытания окускования различных видов твердого топлива с добавками различных видов связующего на участке окускования.
2.3. Произведено изготовление и закупка узлов политопливного газогенератора (собственно газогенератор, система подачи сжатого воздуха и кислорода, система охлаждения, котел - охладитель, система очистки отходящих газов).
2.4. Выполнена разработка рабочего проекта экспериментальной установки политопливного газогенератора.
3.1. Проводятся лабораторные исследования по раздельному сжиганию жидких и газообразных видов топлива в слое расплавленного шлака.
3.2 Проводятся лабораторные исследования по раздельному сжиганию твердых видов топлива в слое расплавленного шлака.
3.4. Выполняется монтаж установки политопливного газогенератора.