Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0126

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0126
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение " Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка"
Название доклада
Экспериментальная проверка возможности автономного запуска и функционирования ЭСГД - базового элемента АЭК на основе технологии сверхкритической гидротермальной деструкции.
Докладчик
Стрелец Андрей Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью выполнения ПНИЭР в рамках Соглашения является разработка не имеющих аналогов в мире технологических и конструкторских решений по созданию автономного энергетического комплекса (АЭК) на основе экологически безопасной ресурсосберегающей технологии сверхкритической гидротермальной деструкции (СКГД) органических топлив, отходов для обеспечения электрической и тепловой энергией объектов малой распределенной энергетики, а также ликвидации накопленного ранее экологического ущерба с получением товарных продуктов.
Целью выполнения работ 2-го этапа является получение конструкторско-технологического задела для создания на базе модернизируемого стенда гидротермальной деструкции (ЭСГД) экспериментального образца АЭК, проведения его испытаний и экспериментальных исследований в процессе функционирования.
Для достижения цели были решены следующие основные задачи:
- обоснована принципиальная конструктивная схема экспериментального образца АЭК;
- разработана эскизная КД и изготовлен экспериментальный образец многотрубного реактора спиральной схемы (МРСС), проведены его гидравлические испытания при значениях рабочих параметров процесса гидротермальной деструкции, подтвердившие правильность выбранных для обеспечения прочности МРСС конструктивных и технологических решений;
- в соответствии с разработанной программой и методикой проведены испытания по автономному запуску ЭСГД от газопоршневой электростанции (ГПЭ), входящей в состав разработанной системы автономного запуска (САЗ), подтвердившие принципиальную возможность автономного запуска и функционирования базового элемента АЭК. В качестве топлива для ГПЭ АГП-30 был использован сжиженный углеводородный газ (СУГ).
Актуальность и новизна исследования
Актуальность ПНИЭР обусловлена следующими факторами:
- сокращение запасов традиционных органических топлив, рост сложности их добычи и негативного воздействия на окружающую среду при сжигании по мере увеличения энергопотребления, отсюда необходимость решения одной из приоритетных задач энергетики – более широкое освоение ВИЭ;
- наличие в РФ значительного числа объектов малой распределенной энергетики в ЖКХ, сфере промышленного и сельхозпроизводства, энергообеспечение которых может осуществляться, в том числе, при использовании местных видов органических топлив и отходов;
- рост масштабов экологического ущерба от накопленных запасов органических отходов различных производств;
- достоинства технологии СКГД: возможность использования для выработки энергии; экологичность (полнота окисления органики до 99,99%); ресурсосберегающий характер - нет необходимости в сушке исходного сырья, используемая вода включается в оборотный цикл водоснабжения.
Новизна результатов проекта заключается в том, что:
- впервые будет создан АЭК (с ГПЭ в составе базового модуля) на основе экологически безопасной ресурсосберегающей технологии СКГД.
- модернизация ЭСГД будет осуществлена за счет включения в его состав реакторного блока из двух МРСС, обеспечивающих непрерывный режим функционирования стенда;
- впервые создана САЗ ЭСГД (в перспективе разворачиваемая до участка подготовки и накопления горючего газа, обеспечивающего его обезвоживание и очистку для использования в качестве топлива для ГПЭ);
- впервые проведены испытания по автономному запуску ЭСГД и автономному функционированию, в процессе которого получен горючий газ, схожий по составу с синтез-газом, который может быть использован в качестве топлива для ГПЭ.
Описание исследования

Основными техническими решениями по обеспечению автономности АЭК является разработка и включение в его состав САЗ ЭСГД, а также технологического участка приготовления водных смесей жидких и твердых органических топлив и отходов (ТУПВС).

В состав САЗ ЭСГД, основой которой является газопоршневая электростанции АГП-30 (номинальная мощность 30 кВт, расход топлива 15 нм3/ч), оснащенная системой управления на базе контроллера InteliSys чешской компании ComAP, входят следующие компоненты: баллон с запасом СУГ; аккумуляторная батарея (АКБ); фильтр газовый с отсечным клапаном (ФОК); редуктор-испаритель газовый (РИ); датчик расхода и давления газа (ДРД); клапанный блок запорный игольчатый (КБ); насос электрический водяной (НЦ); водонагреватель электрический проточный (ВНП). Использование при проведении испытаний СУГ (пропан-бутановая смесь) в качестве топлива для ГПЭ обусловлено его широкой доступностью, относительной дешевизной, возможностью транспортирования и хранения в бытовых газовых баллонах.

Принцип действия САЗ заключается в следующем. Для обеспечения бесперебойной подачи СУГ в газовой фазе в газотопливную систему ГПЭ перед ее запуском включается водонагреватель ВНП. Циркуляция охлаждающей жидкости через водонагреватель осуществляется насосом НЦ, питание которого, в свою очередь, обеспечивается аккумуляторной батареей АКБ. По открытию отсечного клапана ФОК, СУГ, пройдя дополнительную очистку в фильтре, в жидкой фазе поступает в редуктор-испаритель РИ, в котором переходит в газовую фазу с необходимым давлением. Далее СУГ, пройдя через счетчик ДРД и клапанный блок КБ, поступает на вход газотопливной системы АГП-30. После этого оператором на контроллере выполняются предусмотренные инструкцией процедуры алгоритма запуска, открывается подача СУГ и осуществляется запуск ГПЭ в ручном режиме. После запуска происходит автоматический переход двигателя, последовательно через режим минимальных оборотов холостого хода и номинальной частоты вращения, к рабочему режиму со стабильными параметрами работы электростанции.

На следующем этапе экспериментальной проверки возможности автономного запуска и функционирования ЭСГД подключался к АГП-30 для проведения нагрева реакторов. Нагрев осуществлялся в течение 60 минут до достижения значений рабочих параметров T=450÷550oC, P=23 МПа.

Для осуществления реакции СКГД, на оборудования ТУПВС предварительно было приготовлено по 3 кг 10% масс. водных смесей органических топлив и отходов: №1 – эмульсия рапсового масла; №2 – суспензия измельченной гречневой шелухи; №3 – раствор этилового спирта. Приготовленные водные смеси подавались в реактор последовательно (по 100 мл). Реакция СКГД осуществлялась в аллотермическом режиме в течение 60 секунд. В процессе автономного запуска и функционирования ЭСГД в различных режимах осуществлялся контроль значений ряда предусмотренных программой и методикой испытаний параметров, таких как, например: расход СУГ газопоршневой электростанцией; потребляемая мощность; время работы; расход водных смесей.

Продукт реакции – парогазовая смесь, образующаяся в процессе реакции СКГД, разделялась в теплообменнике на жидкую и газовую фазы, последняя накапливалась в лабораторном газгольдере, входящем в состав ЭСГД. Для проведения анализа полученного газа отбирались пробы в газовую пипетку прибора для отбора проб и хранения газа. С использованием горелки Бунзена было получено подтверждение горючести полученного газа.

Изучение состава газа, полученного при проведении гидротермальной деструкции образцов топлив и отходов, проводили хроматографическим методом на газовом хроматографе «Кристалл 5000» в одной из лабораторий ИХФ им. Н.Н. Семенова РАН. Результаты анализов проб полученного газа показали, что по своему составу он имеет сходство с синтез-газом и обладает низшей теплотворной способностью, определенной расчетным методом (по ГОСТ 22667-82) - ~12 МДж/м3. Данные результаты указывают на возможность применения полученного горючего газа в качестве топлива для ГПЭ.

В рамках следующего этап ПНИЭР запланировано развитие полученных результатов при проведении экспериментальных исследований модернизированного экспериментального стенда гидротермальной деструкции, в том числе по оптимизации теплоэнергетической эффективности его автономного запуска и функционирования. С этой целью запланировано дооснащение САЗ оборудованием, обеспечивающим подготовку получаемого горючего газа к использованию в качестве топлива для ГПЭ.

Результаты исследования

Экспериментальная проверка возможности автономного запуска и функционирования ЭСГД привела к следующим результатам.

1) Получено практическое подтверждение принципиальной возможности запуска ЭСГД от созданной системы автономного запуска на основе АГП-30 при использовании в качестве топлива автономного запаса СУГ. При проведении исследований использовалась пропан-бутановая смесь СУГ, запас которой в сжиженном виде был заблаговременно создан в 2-х бытовых газовых баллонах емкостью 50 литров.

2) Осуществлено автономное функционирование экспериментального стенда гидротермальной деструкции при энергоснабжении от газопоршневой  электростанции АГП-30. Для этого использовались предварительно приготовленные водные смеси: по 3 кг 10% масс. водных смесей органических топлив и отходов: №1 – эмульсия рапсового масла; №2 – суспензия измельченной гречневой шелухи; №3 – раствор этилового спирта. При этом реализация реакции СКГД в аллотермическом режиме привела к образованию парогазовой смеси, газовая фаза которой, что установлено экспериментальным способом, является горючим газом.

3) Результаты проведения анализа проб полученного горючего газа хроматографическим методом, указывают на его схожесть по составу с синтез-газом, а значение теплотворной способности, составляющее около 12 МДж/м3, свидетельствует о возможности его применения в качестве топлива для ГПЭ.

4) Создан необходимый конструкторско-технологический задел для проведения дальнейших экспериментальных исследований создаваемого экспериментального образца АЭК.

Известно, что технологию СКГД или иначе сверхкритического водного окисления (СКВО) можно использовать для широкого диапазона специализированных способов применения. Например, за рубежом данную технологию применили для обработки «крупных частиц масел», получаемых в конце крекирования сырой нефти и переработки этих крупных частиц в пригодные к использованию нефтепродукты. Министерство обороны США рассматривало ее для очищения питьевой воды солдатам в полевых условиях. Компания Supercritical Fluid Technologies применила СКВО для производства биотоплив в опытно-технологическом 1-литровом реакторе периодического действия высокого давления. В России в Институте теплофизики СО РАН реализуется программа "Исследование фундаментальных свойств сверхкритических флюидов на основе воды как активных природных и технологических сред".

Проведенные на предыдущем этапе ПНИЭР патентные исследования показали, что среди рассмотренных патентных документов по предметной области проекта не выявлено аналогов создаваемого АЭК на основе технологии СКГД.

 

 

Практическая значимость исследования
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем. 1) Создан и успешно прошел гидравлические испытания многотрубный реактор спиральной схемы, что позволит обеспечить запланированную модернизацию ЭСГД; 2) Получены данные для проведения исследований экспериментального образца АЭК, в том числе по оптимизации теплоэнергетической эффективности автономного запуска и функционирования. 3) Получены экспериментальные данные для проработки ТЗ на выполнение ОКР по созданию опытного образца АЭК в мобильном исполнении, результаты выполнения которой являются необходимым условием реализации разработанных предложений по созданию производства индустриальным партнером.
Анализ перспектив применения АЭК на основе технологии СКГД (с МРСС), показывает, что принципиально возможно его изготовление в двух вариантах – стационарном и мобильном. Первый из них может быть ориентирован на крупные предприятия, производство продукции которыми сопровождается образованием значительных объемов органосодержащих отходов, а также имеющих необходимую инфраструктуру для стационарного размещения оборудования АЭК. Второй из вариантов исполнения АЭК ориентирован на средних или объединения мелких производителей и может включать в свой ГПЭ, как средство обеспечения автономности функционирования, топливом для которой может являться продукт реакции СКГД – горючий газ. Данный вариант исполнения комплекса подразумевает возможность его транспортировки, что требует проектирование блочно-модульной схемы оборудования с габаритами модулей, обеспечивающими возможность размещения и транспортирования в стандартных контейнерах.
Согласно оценкам, сделанным исходя из данных эксплуатации лабораторных и полупромышленных установок США стоимость переработки одного литра отходов в реакторе СКВО оценивается в 5÷20 центов, что примерно в 10 раз дешевле, чем при переработке с помощью традиционной технологии сжигания. Существенно, что реакции окисления органики экзотермичны, и тепло реакций может частично компенсировать энергозатраты на создание комплекса. При содержании в водной смеси порядка 10% органического вещества технология СКВО экономически эффективнее не только метода сжигания, но и методов окисления влажным воздухом и обработки активированным углем.