Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0079

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0079
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук
Название доклада
Разработка и исследование комплексной низкотемпературной адсорбционной системы аккумулирования природного газа с повышенной пожаровзрывобезопасностью и энергоэффективностью.
Докладчик
Школин Андрей Вячеславович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка и изготовление экспериментального образца комплексной низкотемпературной адсорбционной системы аккумулирования – мобильного адсорбционного газового хранилища для транспортировки природного газа (метана) к удаленным потребителям. Разработка направлена на решение проблемы газификации населения, поскольку позволяет снизить капитальные вложения путем внедрения мобильных адсорбционных газовых хранилищ и отказа от прокладки газопроводов к удаленным населенным пунктам и предприятиям, а также позволяет повысить гибкость системы газораспределения.
Актуальность и новизна исследования
Газификация регионов Российской Федерации играет ключевую роль в развитии отечественной экономики. Реализация этого проекта позволяет решить ряд важных народнохозяйственных задач. Однако для развития газотранспортной сети Российской Федерации потребуется диверсификация методов хранения и транспортировки природного газа. В связи с этим, в последние годы в дополнение к традиционным методам начал интенсивно развиваться адсорбционный метод хранения и транспортировки природного газа. Адсорбционный метод является хорошим компромиссом между сжиженным и компримированным природным газом: не требует развития новой специализированной инфраструктуры, обладает повышенной пожаро- взрывобезопасностью, энергоэффективен, обладает повышенной объемной плотностью газа в системе хранения (около 200 м3(н.т.д., метана)/м3(системы хранения) при давлении 70 бар). Все это свидетельствует о крайней важности и актуальности исследований в данной области.
В работе впервые в мире разработано мобильное адсорбционное газовое хранилище с внутренним и внешним теплообменником. Проведены комплексные исследования этого хранилища в широком интервале температур и давлений не имеющие мировых аналогов. В условиях опытных испытаний хранилище позволило достигнуть объемной плотности метана 160 м3 /м3 при давлении в системе хранения 7 МПа. Данный показатель соответствует лучшим мировым лабораторным адсорбентам, получаемых в граммовых количествах, данные о которых имеют экспериментальное подтверждение.
Описание исследования

Представленный проект нацелен на создание конкурентного способа хранения и транспортировки природного газа. Для реализации проекта на основании аналитического обзора современной научно-технической, нормативной, методической и патентной литературы в области адсорбционного аккумулирования природного газа (метана) был осуществлен поиск наиболее эффективного пути решения поставленных в проекте задач, разработана математическая модель для расчетов основных характеристик и оптимальных режимов работы экспериментального образца мобильного адсорбционного газового хранилища (МАГХ).

Ключом к успеху адсорбционных технологий – является нанопористый материал, поэтому для комплексной оценки свойств адсорбентов были разработаны методики и экспериментальные стенды для исследований адсорбционных, термодинамических, прочностных характеристик адсорбентов. Проведены исследования для ряда материалов, которые позволили сформировать представление об оптимальном материале и разработать основы технологии создания новых адсорбционных материалов, обеспечивающих эффективные для аккумулирования природного газа (метана) характеристики адсорбентов, на основании которых было разработано две серии адсорбционных материалов высокой плотности. Среди полученных адсорбентов на основании результатов комплексных испытаний был отобран адсорбционный материал, технология создания которого легла в основу технологии синтеза блочного адсорбционного материала для снаряжения экспериментального образца МАГХ.

Для успешного развития новых технологий зачастую важно наличие существующей инфраструктуры. В связи с этим в проекте было принято решение опытный образец МАГХ сделать на основе существующих опытно-промышленных решений с незначительными доработками.

В проекте разработан и изготовлен экспериментальный образец МАГХ со следующими техническими характеристиками: геометрический объем – 200 л; рабочее давление в адсорберах экспериментального образца – до 10 МПа; диапазон создаваемых внутри адсорберов диапазон температур – от минус 80 до плюс 80 °С; допустимая температура окружающей среды – от минус 40 до плюс 50°С. Достижение низких температур осуществляется с помощью вводимого в экспериментальный образец теплообменника с характеристиками: трубчатый U-образный, холодопроизводительность – 2,2 кВт, расход теплоносителя – до 40 л/мин, обеспечение температуры внутри адсорбера – минус 80°С. Экспериментальный образец МАГХ заполнен боками адсорбента оригинальной формы таким образом, чтобы обеспечить максимально плотную упаковку материала в баллоне, при этом укладка материала ведется по оригинальной методике через относительно узкую горловину баллона.

Для исследования экспериментального образца МАГХ разработаны стенд и методика исследования статических и циклических процессов заправки и выдачи газа из экспериментального образца МАГХ. Методика и соответствующий ей экспериментальный стенд предусматривают организацию адиабатной, изотермической, низкотемпературной заправок с контролем энергоэффективности.

На изготовленном стенде исследован экспериментальный образец МАГХ при давлениях до 10 МПа и в интервалах температур от минус 80 до плюс 80 при условии разогрева адсорбента при заправке. Проведенные исследования по объему системы хранения метана – МАГХ, широте интервалов исследованных температур и давлений, и количеству измеряемых параметров, не имеют аналогов в мире.

При исследовании статических режимов заправки метаном МАГХ установлены оптимальные области заправки. Минимальные затраты энергии пришлись на «изотермическую» выдачу газа из предварительно охлажденных до температур близких к 0 °С адсорберов. Исследования циклических процессов заправки и выдачи газа из МАГХ не выявили четкой закономерности влияния числа циклов на количество аккумулируемого или выдаваемого газа, а также на удельные затраты электроэнергии на заправку или выдачу газа.

На основании полученных данных произведено обобщение результатов работ, а также определены основные пути развития и коммерциализации проекта. В рамках программы развития проектов ФЦП ведутся работы по коммерциализации результатов работы в направлении создания бытовых аккумуляторов природного газа для бесперебойной поставки природного газа к ИЖС и малым предприятиям в районах крайнего севера и резкоконтинентального климата.

Результаты исследования

В проекте выполнен комплекс работ, направленных на развитие технологии адсорбированного природного газа. Работы включают почти все направления развития технологии:

- Проведены комплексные исследования адсорбционных свойств пористых материалов, на основании которых разработан и изготовлен адсорбционный материал для снаряжения экспериментального образца мобильного адсорбционного газового хранилища (МАГХ). Для обеспечения плотной упаковки адсорбционный материал изготавливался в особой сотовой форме.

- Изготовлены экспериментальные стенды для исследования адсорбционных материалов и проведены масштабные экспериментальные исследования.

- Разработан и изготовлен экспериментальный образец МАГХ. Характеристики экспериментального образца МАГХ соответствуют Техническому заданию: геометрический объем – 200 л; рабочее давление в адсорберах экспериментального образца – до 10 МПа; диапазон создаваемых внутри адсорберов диапазон температур – от минус 80 до плюс 80 °С; допустимая температура окружающей среды – от минус 40 до плюс 50°С. Достижение низких температур осуществляется с помощью вводимого в экспериментальный образец теплообменника, который обладает следующими характеристиками: трубчатый U-образный, холодопроизводительность – 2,2 кВт, расход теплоносителя – до 40 л/мин, обеспечение температуры внутри адсорбера – минус 80°С.

- Разработана методика исследования статических и циклических процессов заправки (энергосберегающей, низкотемпературной и др.) и выдачи газа из экспериментального образца МАГХ. Цель данного исследования: определить оптимальные области параметров (режимы) заправки и выдачи природного газа (метана) из мобильного адсорбционного газового хранилища (МАГХ).

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для исследования статических и циклических процессов заправки (энергосберегающей, низкотемпературной и др.) и выдачи газа из экспериментального образца МАГХ.

- Исследованы статические процессы заправки изотермической, адиабатной и низкотемпературной и выдачи газа при различных условиях теплообмена с окружающей средой, в том числе и с подводом теплоты, из экспериментального образца МАГХ при давлениях до 10 МПа и в интервалах температур от минус 80 до плюс 80 при условии разогрева адсорбента при заправке. Максимальное количество выдаваемого газа пришлось на выдачу из предварительно охлажденного до минус 75 °С метана внутри адсорберов МАГХ и составило 275,8 нм3(метана)/м3(МАГХ).

- Исследования циклических процессов заправки и выдачи газа из МАГХ не выявили четкой закономерности влияния числа циклов на количество аккумулируемого или выдаваемого газа, а также на удельные затраты электроэнергии на заправку или выдачу газа.

Практическая значимость исследования
Реализуемый проект обладает особой важностью для реализации стратегической задачи Президента РФ по газификации страны. Для дальнейшего развития газотранспортной сети РФ потребуется диверсификация методов хранения и транспортировки природного газа, так как наиболее распространенный трубопроводный способ транспортировки газа является относительно затратным и рентабелен только для крупных потребителей, поэтому проведение газопроводов выполняется поступательно, обычно от наиболее коммерчески выгодных направлений к менее выгодным. В этом ключе реализация проекта позволит использовать принципиально новые адсорбционные системы хранения и транспортировки природного газа, без существенного изменения существующей инфраструктуры. Оценки экономического эффекта от внедрения разработанной адсорбционной технологии на примере одного из регионов с холодным климатом показали, экономию до 1 млрд. руб. на 10 лет использования технологии.
Практическая значимость проекта также хорошо просматривается в рамках распоряжения Правительства РФ от 13 мая 2013 года №767-р о расширении использования природного газа в качестве моторного топлива, предусматривающее перевод на газ к 2020 году половины общественного транспорта в городах-миллионниках. Использование адсорбционных технологий хранения метана для мобильных хранилищ газа, применяемых в топливных системах автомобильного и железнодорожного транспорта позволит понизить пожаро- взрывоопасность газотопливных баков, повысить дальность пробега. Мобильное адсорбционное газовое хранилище, разработанное в результате работ по проекту, может уже сейчас быть установленным на базе любого промышленного транспорта, работающего на газомоторном топливе. Результаты работы соответствует передовым научно-техническим решениям, аналог которых разработан и испытан только в США и России. Предварительная оценка коммерческого эффекта от перевода части грузового промышленного автопарка, работающего в рамках заданного маршрута составила 20 млрд. руб. за 5 лет.