Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка процессов высокомощного воздействия концентрированных потоков энергии для формирования поверхностных слоев с аморфной, нанокристаллической и интерметаллидной структурой для изделий, используемых в водородной энергетике и промышленной экологии.

Номер контракта: 14.627.21.0001

Руководитель: Красиков Алексей Владимирович

Должность: заместитель начальника отделения

Организация: федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей" имени И.В. Горынина Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"
Организация докладчика: Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
градиентно-функциональные нанокатализаторы на металлическом носителе, каталитические материалы, паровая конверсия топлива, получение водородсодержащего альтернативного топлива, энергетические установки.

Цель проекта:
Проблемы Настоящий проект является комплексным и направлен на решение нескольких проблем водородной энергетики и промышленной экологии с помощью специальных катализаторов паровой конверсии для получения водорода и материалов геттеров для его безопасного хранения. В число проблем, реально стоящих перед отечественной наукой и решаемых паровой конверсией входят: - переработка природного газа в высокочистый водород или в высокоэффективное водородсодержащее топливо; - снижение тепловых потерь, идущих через поверхность энергетических установок, за счет химической регенерации тепла и получения водородсодержащего топлива; - повышение КПД энергетических установок, снабженных системами химической регенерации тепла и введения водородсодержащего топлива в тракт установки. Поскольку паровая конверсия является окислительным процессом, то методы и подходы, выработанные при разработке катализаторов для этого процесса, позволят создать катализаторы доокисления промышленных газовых выбросов, что позволит существенно улучшить промышленную экологию. Широкому применению водорода в энергетике препятствуют сложности, связанные с его хранением. Для безопасного хранения водорода необходимо разработать материалы-геттеры, что невозможно сделать без исследований влияния структуры материала на термодинамические и кинетические параметры абсорбции водорода. Таким образом, целью проекта является разработка технологии получения перспективных наноматериалов для создания систем паровой конверсии углеводородного сырья, получения, выделения и накопления водорода с целью повышения энергоемкости исходного топлива и КПД энергетических установок.

Основные планируемые результаты проекта:
- Результаты исследования влияния воздействия концентрированных потоков энергии высоковольтными импульсными разрядами в жидкости на поверхность и структуру порошков системы «титан-алюминий-ниобий» для подготовки к консолидации материалов-геттеров для изделий водородной энергетики;
- Техническое задание на разработку технической документации макета оборудования для реализации технологии подготовки порошков; макетный образец оборудования для осуществления технологического процесса подготовки порошков;
- Технология обработки концентрированными потоками энергии порошков системы «титан-алюминий-ниобий» на существующем макетном оборудовании искроплазменного спекания (ИПС) порошков; результаты испытаний экспериментальных образцов материалов-геттеров интерметаллидной структуры.

В результате работ будут получены материалы, удовлетворяющие следующим требованиям:
Требования к металлическому носителю:
- термостойкость и термостабильность в среде Н2 и Н2О - до температуры 1000°С;
- технология нанесения покрытия должна обеспечивать возможность внесения добавок, повышающих термостабильность и прочность носителя (например, соединения La, Ce, Si, Mg и т.д.);
- высокая тепло- и электропроводность.
Требования к градиентно-функциональным нанокатализаторам на металлическом носителе:
- общая толщина композита от 50 до 5000 мкм;
- толщина пористого слоя от 50 до 5000 мкм;
- удельная поверхность от 5 до 50 м2/г;
- пористый слой должен содержать микро и мезопоры;
- открытая пористость - более 20 %; размер пор - 10 -6 - 10 -4 мм (10-1000 А).
Требования к химическому составу градиентно-функциональных нанокатализаторов на металлическом носителе:
- покрытие разрабатывается на базе систем алюминия, никеля, оксидов, карбидов, интер-металлидов переходных и редкоземельных металлов.
испытаний.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Проведенные работы по проекту позволят в дальнейшем наладить выпуск перспективных градиентно-функциональных материалов со следующими свойствами:
Функционально-градиентные каталитические наноматериалы для термохимических реакторов, обеспечивающие степень паровой конверсии углеводородного сырья в водородное топливо не менее 65%
Удельная водородоемкость накопителей водорода на основе порошковых материалов системы «титан-алюминий-ниобий» с интерметаллидной структурой - 3,4-4,0%масс., (рабочая температура 550-600 ºС)
При этом технологические решения, которые будут реализованы в ходе проекта имеют характер существенной научной новизны, а создаваемая продукция соответствует мировому уровню.
Достижение заявленных свойств катализаторов и материалов-геттеров обеспечивается за счет формирования поверхностных слоев с аморфной, нанокристаллической и интерметаллидной структурой путем высокоэнергетического воздействия на исходные материалы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные каталитические наноматериалы могут в дальнейшем с успехом использоваться на предприятиях, работающих в следующих отраслях экономики: транспортная энергетика; газо- и нефтедобывающая промышленность, химический синтез, экология.

Полученные результаты позволят повысить уровень автоматизации производства за счет внедрения роботизированной технологии нанесения каталитических покрытий на металлический носитель, обеспечить гибкость производств, сократить производственный цикл за счет универсальности производственных линий и создания целого ряда аналогичной продукции. Практическое применение результаты работы с учетом их межотраслевой направленности применения найдут:
- в перспективных энергетических и двигательных установках с повышенными эксплуатационными параметрами, оснащенных системами конверсии топлива и химической регенерации тепла;
- в перспективных производственных установках и транспортных средствах, оснащенных каталитическими термохимическими реакторами, использующими синтез-газ в качестве добавки к углеводородным топливам газотурбинных и других двигателей с целью повышения скорости горения топлива, что позволит значительно снизить уровень вредных выбросов в атмосферу;
в портативных установках, работающих с использованием топливных конверторов, что позволит значительно расширить ассортимент отечественных товаров, работающих в отдаленных и северных районах;
систем накопления и хранения водорода.
Прогнозируемые социально-экономические эффекты от использования продукции, созданной на основе результатов данного исследования, в том числе:
- создание принципиально новой продукции каталитических материалов на металлическом носителе, опытных образцов каталитических элементов, образцов конверторов, технологий изготовления каталитического материала и элементов и др.;
- улучшение энергоэффективности двигательных энергетических установок, КПД двигателей, повышение скоростных показателей транспортных средств;
- совершенствование технологических процессов: снижение металлоемкости продукции, снижение объема промышленных выбросов при производстве каталитических материалов по сравнению с выбросами керамического производства засыпных гранулированных катализаторов;
- повышение уровня автоматизации производства, внедрение роботизированной технологии нанесения объемно-пористых каталитических покрытий на металлический носитель;
- обеспечение гибкости производств, сокращение производственного цикла за счет универсальности производственных линий и создания целого ряда аналогичной продукции;
- в ходе проведения работ будет разработана принципиально новая технология создания каталитических конверторов, подтвержденная патентами; при организации производства в дальнейшем будут проведены работы по лицензированию производства и выпускаемой продукции, выпущены технические условия на основные виды продукции.

Работа проводится совместно с двумя иностранными партнерами.
Иностранный партнер 1: Филиал «Институт атомной энергии» Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения «Национальный ядерный центр Республики Казахстан» Комитета по атомной энергии Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан, г. Курчатов, Республика Казах-стан.
Иностранный партнер 2: Государственное научное учреждение «Институт порошковой металлургии» (ГНУ ИПМ), г. Минск, Республика Беларусь.
Поскольку работа проводится совместно со странами Республикой Казахстан и Республикой Беларусь, данный проект может быть фундаментом для дальнейшего научно-технического взаимодействия с этими странами в области водородной энергетики.

Текущие результаты проекта:
Выполнен первый этап проекта, в ходе которого получены следующие результаты.
Промежуточный отчет о прикладных научных исследованиях, оформленный в соответствии с ГОСТ 7.32-2001 и содержащий в том числе:
- аналитический обзор современной науч-но-технической, нормативной, методической литературы по разработке функционально-градиентных каталитических наноматериалов и конструкционных элементов на их основе для изделий, используемых в водородной энергетике и промышленной экологии;
- обоснованный выбор направления ис-следований;
- технические требования к функцио-нально-градиентным каталитическим наноматериалам;
- описание состава, структуры и способов получения функционально-градиентных каталитических наноматериалов;
- отчет о патентных исследованиях в соответствии с ГОСТ 15.011-96.
Получены аннотационные отчеты иностранных партнеров.
Иностранные партнеры не получили финансирования из госбюджета своих государств на 2014 г., которое они должны были получить для выполнения работ, предусмотренных планом-гафиком исполнения обязательств по теме данной работы. Поэтому они выполняли свою часть работ на инициативной основе. В 2015 году Министерство науки и образования РФ не финансировало проект из-за отсутствия подтверждения внебюджетного финансирования иностранными партнерами. Сроки выполнения планируются перенести на 2016 и 2017 годы.