N14.516.11.0048

Отчет за 2-й этап по ГК N 14.516.11.0048
на тему: «Проведение проблемно-
ориентированных исследований и разработка технических решений экологически чистых
энергоустановок, использующих мелкодисперсное твердое топливо из растительного
сырья»
Реферат
Отчет содержит
207 страниц,
90 рисунков,
15 таблиц,
41 использованный
источник, 7 Приложений
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО, БИОВОЗОБНОВЛЯЕМОЕ НЕПИЩЕВОЕ
РАСТИТЕЛЬНОЕ
СЫРЬЕ,
ЦЕЛЛЮЛОЗА,
ЛИГНИН,
МЕХАНОХИМИЧЕСКАЯ
ОБРАБОТКА, ДИСПЕРСНОЕ ЛИГНИНСОДЕРЖАЩЕЕ ТОПЛИВО, ТВЕРДОФАЗНАЯ
ТЕХНОЛОГИЯ,
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
СТЕНДЫ
И
ИССЛЕДОВАНИЯ,
СЖИГАНИЕ, ЭНЕРГОУСТАНОВКИ, ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ
Теоретические и экспериментальные исследования направлены на разработку
научно-технических предложений в области получения твердого мелкодисперсного
лигнинсодержащего
топлива
из
растительного
сырья
на
биотехнологических
производствах и использования его на экологически чистых энергоустановках небольшой
мощности.
Объектом исследования является новый подход к переработке растительного сырья
на биотехнологических предприятиях, включающий механохимическое измельчение и
разделение растительного сырья до частиц из неодревесневших нелигнифицированных и
одревесневших лигнифицированных тканей, которые состоят преимущественно из
целлюлозы
и
содержат
лигнин.
Целлюлозные
частицы
используются
в
биотехнологических процессах. Отделенные с помощью аэродинамических аппаратов
циклонного типа частицы, обогащенные лигнином, могут использоваться
в качестве
порошкового топлива для обеспечения тепловой энергии основного биотехнологического
производства, а в случае ее излишков – сопутствующих потребителей энергии.
Согласно прогнозному сценарию для обеспечения потребностей РФ в биоэтаноле
потребуется 30 заводов по переработке соломы производительностью 1000 тонн в сутки в
биоэтанол. Строительство каждого завода обойдется в 186 млн. долларов США,
себестоимость биоэтанола составит 528 долларов за тонну, период окупаемости – 9 лет.
Согласно общей оценке экономический эффект по механохимической переработке
соломы пшеницы в биоэтанол (с использованием лигниновой фракции соломы в качестве
1
мелкодисперсного твердого топлива) составит 450 тыс. долларов в день.В условиях
современной России, как и во всех развитых странах (США, Дания), освоение технологии
должно иметь бюджетное финансирование.
Проведены проблемно-ориентированные исследования по получению физикохимических характеристик мелкодисперсного твердого топлива из растительного сырья.
При помощи механохимической обработки в мельницах - активаторах получены
экспериментальные образцы порошкового дисперсного топлива из растительного
сырья – соломы пшеницы и других отходов сельскохозяйственного производства – с
различной степенью дисперсности (25 – 70 мкм) и различным содержанием лигнина
(от 18, 3 до 60%).
Определены требования к показателям качества мелкодисперсного твердого
топлива: 1) крупность размола – масса мелкодисперсного топлива, просеявшаяся через
сито с отверстиями диаметром 0,5 мм или сито с сеткой № 05, % – не менее 100; 2)
зольность мелкодисперсного топлива, % масс. – не более 10,0; 3) влажность (массовая
доля влаги) мелкодисперсного топлива, % масс. – не более 10,0; 4) средневесовой размер
частиц (дисперсность; по методу ситового анализа), мкм – 45 ± 10; 5) содержание лигнина,
% масс. – 40 ± 20.
Проведенные экспериментальные исследования по горению биотоплива: на
экспериментальном стенде 50-100 кВт и на огневом стенде 5 МВт и проведенная
расчетная оптимизация режимов горения и конструкции горелочно-топочного устройства
для сжигания различных биотоплив позволили выдать предложения по технологическим
решениям эффективного сжигания мелкодисперсного твердого топлива из соломы
злаковых на энергоустановках.
Для биотехнологического предприятия с переработкой
30 000т соломы в год
рассмотрена система по энергетическому использованию отходов переработки соломы
объемом 24 000т соломы в год с концентрацией лигнина 18-60% теплотворной
способностью 1700-2100 кал/кг путем их сжигания в газомазутном котле ДЕ-1—14 до
10т/час пара. Рассмотренный Проект «Строительство котельной на твердом дисперсном
лигнинсодержащем топливе – отходах биотехнологического предприятия» может
рассматриваться как экономически эффективный - при принятых исходных данных за 10
лет эксплуатации удается обеспечить благоприятные значения показателей коммерческой
эффективности проекта: дисконтированный срок окупаемости (срок возврата инвестиций)
составляет 1.5 года.
Степень внедрения результатов НИР – на стадии подготовки технических
предложений (до коммерциализации). Необходима стадия ОКР/ОТР.
2
Рекомендация по внедрению – продолжить работу стадией ОКР/ОТР.
Основная область применения результатов НИР – создание автономных источников
энергии, прежде всего для собственного энерготехнологического производства по выпуску
биоэтанола, а также для сопутствующих энергопотребителей.
В соответствии с техническим заданием и календарным планом в рамках
выполнения работ второго этапа выполнены следующие работы:
1. Проведены экспериментальные, теоретические, расчетные и физико-химические
исследования согласно разработанным программам и методикам:
- Исследованы спектральные и кинетические характеристики (реакционная
способность) биотоплив различного состава и дисперсности для оптимизации параметров
и режимов сжигания,
- Исследована кинетика окисления возобновляемых энергоносителей (дисперсного
биотоплива) с помощью методов термического анализа в зависимости от дисперсности и
содержания лигнина,
- Проведено физико-химическое исследование энергии активации окисления частиц
дисперсного биотоплива с помощью методов термического анализа в зависимости от
дисперсности и содержания лигнина, определение тепловыделения при сжигании топлив с
различным содержанием лигнина,
- Осуществлено экспериментальное моделирование на стенде тепловой мощностью
до 50-100 кВт горелочного устройства для сжигания биотоплива,
- Исследованы на экспериментальном стенде тепловой мощностью до 50–100 кВт
оптимальные режимы воспламенения биотоплива,
- Исследована и отработана оптимальная конструкция питателя и горелочного
устройства для обеспечения поджига, воспламенения и устойчивого автотермического
горения биотоплива на стенде тепловой мощностью до 5 МВт,
- Экспериментально исследованы термодинамические, режимные параметры
поджига, воспламенения и устойчивого автотермического горения биотоплива различной
дисперсности и состава на модернизированном стенде с тепловой мощностью до 5 МВт,
- Отработаны технологические режимы по поддержанию оптимальных условий, при
которых
достигаются
высокие
скорости
окисления
и
степень
превращения
энергоносителей,
- Выявлены принципиальные способы утилизации парогазовой смеси с целью
выработки полезной энергии.
3
2. Проведена адаптация математической модели горения по результатам измерения
температуры воспламенения пылевзвеси биотоплива.
3. Проведена расчетная оптимизация режимов горения и конструкции горелочнотопочного устройства для сжигания различных биотоплив.
4. Выданы рекомендации по технологическим решениям
эффективного сжигания
биотоплив из растительных масс разного состава и полидисперсности с разработанным
новым горелочным устройством.
5. Выполнена
технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных
результатов.
6. Разработаны рекомендации и предложения по использованию результатов поисковой
НИР в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках.
7. Разработан проект технического задания на проведение ОКР по теме: «Разработка
экологически чистой энергоустановка, использующей мелкодисперсное твердое топливо
из растительного сырья».
8. Проведено обобщение и сделаны выводы по результатам НИР.
9. Подготовлены заявка на патент и публикации по результатам исследования.
Руководитель, чл.-корр.РАН
С.В.Алексеенко
Ответственный исполнитель, к.ф.-м.н.
С.И.Шторк
4