Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.607.21.0032

Руководитель: Зайченко Виктор Михайлович

Должность: Заведующий отделом

Организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук
Организация докладчика: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
биомасса, низкотемпературный пиролиз (торрефикация), твердое биотопливо, когенерация

Цель проекта:
Получение значимых научных и технологических результатов, позволяющих переходить к промышленному выпуску наукоемких энерготехнологических когенерационных комплексов (ЭТКК) для производства нового вида кондиционного твердого биотоплива с высокими теплотехническими и потребительскими свойствами. Вывод на рынки технологии, оборудования и кондиционного биотоплива (торрефицированных топливных пеллет).

Основные планируемые результаты проекта:
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 300оС 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 oC;
- 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 ООО «Продмаш» (г. Ростов-на-Дону). Для решения этой задачи необходимо по результатам теоретических и экспериментальных исследований разработать техническую документацию на экспериментальный образец ЭТКК производительностью 200 кг исходного сырья в 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.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Основная идея, заложенная в разрабатываемую технологию, – использование для непосредственного нагрева исходной биомассы отходящих газов газопоршневой энергоустановки. При этом реализуется эффективный принцип когенерации, когда одновременно с получением основного целевого продукта – торрефицированных биогранул – 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.
Разрабатываемый энерготехнологический комплекс производительностью 200 кг/час будет производить гидрофобные топливные гранулы с повышенной теплотой сгорания. Это позволит снизить затраты на транспортировку и хранение пеллет. При условии применения разработанной схемы процесса торрефикации с использованием газопоршневой мини-ТЭЦ потребитель также получает электрическую и тепловую энергию, которая идет не только на обеспечение собственных нужд линии по гранулированию, но также может частично снизить расходы на электро- и тепловую энергию самого предприятия.
Данная технология позволяет проводить процесс торрефикации при температурах выше 250 градус, при этом процесс самовозгорания нивелируется за счет регулирования объема и температуры продуктов сгорания. В результате получается контролируемый процесс низкотемпературного пиролиза.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Исследования новой технологии улучшения теплотехнических характеристик топлив из биомассы с использованием газопоршневого электроагрегата показали принципиальную возможность реализации энерготехнологического комплекса для производства тепла, электроэнергии и конкурентоспособного твердого топлива. Это позволит эффективно использовать громадные сырьевые ресурсы, например, отходы деревоперерабатывающей промышленности, неиспользуемые (неделовые) сорта древесины, а также отходы растениеводства. Внедрение разрабатываемого комплекса позволит модернизировать существующую систему тепло- и электрообеспечения потребителей с уровнем требуемой электрической мощностью до 1МВт.
Оснащение деревоперерабатывающих предприятий и предприятий АПК созданными 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 древесных и сельскохозяйственных отходов.

Текущие результаты проекта:
Проведены лабораторные эксперименты по определению физико-химических свойств торрефицированных пеллет и пиролизных газов. Выявлены зависимости скорости термической деструкции и величины потерь массы от скорости нагрева, температуры и времени термообработки. Проведены монтаж и испытания стендовой модели ЭТКК. Разработан пакет программ ETCC v.01 (Energy Technological Cogeneration Complex), состоящий из 6 автономных блоков, которые описывают работу всех систем, входящих в экспериментальный образец ЭТКК. Результаты численных экспериментов и сравнение результатов расчетов с данными стендовых испытаний подтвердили адекватность математической модели ЭТКК. На основании проведенных стендовых испытаний были разработаны технические решения и разработана эскизная конструкторская документация экспериментального образца ЭТКК.
Создана демонстрационная установка производительностью 200 кг/час, электрической мощностью 160 кВт, тепловая – 200 кВт. Проведены предварительные пуско-наладочные работы.