Этап 2

  

Соглашение о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий в соответствии с пунктом 4 статьи 78.1 Бюджетного кодекса Российской Федерации
№ 075-15-2024-628 от "12" июля 2024 г.

 

Научный руководитель проекта: директор центра НЦ «Износостойкость», д.т.н. Рыженков Артем Вячеславович.

Зам. руководителя проекта: ведущий научный сотрудник НЦ «Износостойкость», к.т.н. Григорьев Сергей Владимирович.

1. Цели выполнения исследований

С​​оздание условий для перехода к «зеленой энергетике» при одновременном решении вопросов эффективной и экологически безопасной утилизации биоотходов растениеводства, лесной, деревообрабатывающей, пищевой промышленности и снижения стоимости выработки тепловой и электрической энергии.

2. Основные результаты, полученные при выполнении исследований

В 2025 году в рамках 2 этапа в соответствии с Планом работ научного исследования:

а) Получателем субсидии выполнены следующие работы:

- проведено исследование химического состава материалов слоя, включая исследование химического состава образовавшихся агломератов, при двухстадийном сжигании в кипящем слое кварцевого и оливинового песка торрефицированной биомассы: лузги подсолнечника, костры льна и измельченной соломы;

- проведены работы по формированию и определению характеристик и свойств лучших защитных покрытий на экспериментальных образцах;

- проведены испытания экспериментальных образцов с лучшими защитными покрытиями в полупромышленной топке для двухстадийного сжигания биомассы в кипящем слое инертного материала;

- проведены работы по определению характеристик и свойств лучших защитных покрытий на экспериментальных образцах после их выдержки в полупромышленной топке для двухстадийного сжигания биомассы в кипящем слое инертного материала;

- проведены дополнительные патентные исследования;

- выполнено обобщение результатов исследований; разработаны рекомендации по повышению эффективности и надежности котлов, сжигающих биоотходы в кипящем слое инертного материала;

- составлен бизнес–план коммерциализации разработанных методов повышения эффективности и надежности котлов, сжигающих биоотходы в кипящем слое инертного материала.

б) Иностранным партнером выполнены следующие работы:

- проведено исследование процесса двухстадийного сжигания торрефицированной лузги подсолнечника в кипящем слое частиц кварцевого (оливинового) песка, включая исследование изменения гранулометрического состава слоя в процессе сжигания;

- проведено исследование процесса двухстадийного сжигания торрефицированной костры льна в кипящем слое частиц кварцевого (оливинового) песка, включая исследование изменения гранулометрического состава слоя в процессе сжигания;

- проведено исследование процесса двухстадийного сжигания торрефицированной измельченной соломы в кипящем слое частиц кварцевого (оливинового) песка, включая исследование изменения гранулометрического состава слоя в процессе сжигания;

- разработан временный регламент процесса двухстадийного сжигания гранулированной и негранулированной исходной и торрефицированной биомассы в кипящем слое частиц кварцевого (оливинового) песка;

- проведены маркетинговые исследования вновь разработанной технологии двухстадийного сжигания гранулированной, негранулированной исходной и торрефицированной биомассы в кипящем слое кварцевого (оливинового) песка применительно к ее реализации в Беларуси и в других странах.

в) Индустриальным партнером в ходе выполнения работ 2-ого этапа выполнено обеспечение электроэнергией и водой работы полупромышленной топки с кипящим слоем инертного материала.

При этом были получены следующие результаты:

В результате проведенного исследования химического состава материалов слоя, включая исследование химического состава образовавшихся агломератов, при двухстадийном сжигании в кипящем слое кварцевого и оливинового песка торрефицированной биомассы (лузги подсолнечника, костры льна и измельченной соломы), выявлено следующее:

- за счет торрефикации и последующей водной промывки получаемой торрефицированной биомассы в золе последней снижается содержание соединение калия и натрия, но растет содержание соединений железа. Однако, для исходной и торрефицированной соломы и лузги подсолнечника прогнозный топливный индекс остается меньше 0,15, что предполагает образование золы и инертного материала (кварцевого песка) при сжигании указанных видов биомассы в кипящем слое. Однако, в результате торрефикации костры льна топливный индекс оказывается больше 0,15, что позволяет предположить, что при сжигании в кипящем слое костры льна образования агломератов золы и инертного материала и дефлюидизации кипящего слоя не будет;

- торрефикация не влияет на процессы агломерации в кипящем слое и процессы дефлюидизации при сжигании в кипящем слое кварцевого песка соломы и лузги подсолнечника. Торрефикация предотвращает агломерацию в кипящем слое и дефлюидизацию при сжигании в кипящем слое костры льна;

- водная промывка способствует не только охлаждению торрефицированного материала, но и выщелачиванию золы, т.е. снижению содержания в последней соединений калия и натрия. Оптимальным является торрефикация при температуре 250 ºС в течении 120 мин. с последующей водной промывкой тонко распыленной водой с расходом 7 л/кг.

На образцах сталей 20 и 09Г2С сформированы покрытия на основе соединений хрома и его карбидов и нитридов (Cr-CrС и Cr-CrN).

Для отработки режимов проведения натурных испытаний и выявления лучших типов покрытий проведены исследования образцов материалов без покрытий и с покрытиями при сжигании неторрефицированного биотоплива в топке для двухстадийного сжигания биомассы в кипящем слое инертного материала индустриального партнера при температуре выдержки 500 °С и в пилотной топке зарубежного партнера при температуре выдержки 700 °С.

Испытаны экспериментальные образцы с лучшими защитными покрытиями в полупромышленной топке для двухстадийного сжигания биомассы в кипящем слое инертного материала при сжигании неторрефицированных и торрефицированных биоотходов. Образцы стали 20 без и с покрытиями на основе CrC, и образцы стали 09Г2С без и с покрытиями на основе CrN, выдержали испытания в полупромышленной топке для двухстадийного сжигания биомассы в кипящем слое инертного материала при сжигании различной исходной и торрефицированной биомассы в виде топливных пеллет из лузги подсолнечника, костры льна и измельченной соломы при температуре 700 °С.

Высокотемпературный нагрев в окислительной среде негативно влияет на абразивные и коррозионные характеристики сталей 20 и 09Г2С. При сжигании неторрефицированного топлива и последующем воздействии щелочной среды скорость коррозии стали 20 увеличивается на 29,65%, стали 09Г2С на 25,80%. При сжигании торрефицированного топлива и последующем воздействии щелочной среды скорость коррозии стали 20 увеличивается на 17,89%, стали 09Г2С на 24,87%.

Для защиты сталей 20 и 09Г2С, широко используемых для изготовления топки и поверхностей нагрева биотопливных котлов, работающих при температурах до 700 °С, рекомендовано формирование ионно-плазменных многослойных покрытий на основе соединений хрома и его карбидов или нитридов.

В результате проведения дополнительных патентных исследований установлено, что разработанные технические решения не нарушают права третьих лиц.

Составлен бизнес–план коммерциализации разработанных методов повышения эффективности и надежности котлов, сжигающих биоотходы в кипящем слое инертного материала.

Иностранным партнером получены следующие результаты:

При проведении исследований процесса двухстадийного сжигания торрефицированной лузги подсолнечника наблюдался постепенный рост выбросов монооксида углерода. Значение средней концентрации оксидов азота в уходящих газах на всем исследованном диапазоне коэффициента избытка воздуха для торрефицированных гранул лузги подсолнечника было выше на 35 %, чем для смесевого топлива из-за повышенного содержания азота в лузге. Значение концентрация SO2 за топкой не превышало 20 мг/м3 в течение всего процесса сжигания.

Результаты исследований процесса сжигания торрефицированных гранул из костры льна в циклонно-слоевой топке с кипящим слоем показали, что при температуре кипящего слоя 750-860 °С, образования агломератов в результате плавления золы топлива не происходит, изменения гранулометрического состава слоя не обнаружено.

При проведении исследований процесса двухстадийного сжигания торрефицированной измельченной соломы было установлено, что концентрация монооксида углерода в уходящих газах с ростом доли донного дутья возрастает. По сравнению с кострой льна и лузгой подсолнечника при одинаковой доле донного дутья и продолжительности торрефикации выбросы СО при сжигании пеллет из соломы были наименьшими. Было выявлено, что при температуре кипящего слоя 750-875 °С, образования агломератов в результате плавления золы топлива не происходит. Однако, сжигание торрефицированных пеллет из соломы сопровождается накоплением зольного остатка, который по форме близок к исходной цилиндрической форме пеллет, но примерно в два раза меньше по объему.

Разработан временный регламент процесса двухстадийного сжигания гранулированной и негранулированной исходной и торрефицированной биомассы в кипящем слое частиц кварцевого (оливинового) песка.

Выполнены маркетинговые исследования вновь разработанной технологии двухстадийного сжигания гранулированной, негранулированной исходной и торрефицированной биомассы в кипящем слое кварцевого (оливинового) песка применительно к ее реализации в Беларуси и в других странах.

Индустриальным партнером выполнено обеспечение электроэнергией и водой работы полупромышленной топки с кипящим слоем инертного материала, с использованием которой проведены испытания экспериментальных образцов с лучшими защитными покрытиями.

Проведенные на втором этапе выполнения работ исследования соответствуют современному уровню науки, а полученные результаты обеспечивают комплексное решение проблемы повышения надежности и эффективности котлов с топками кипящего слоя, сжигающих биоотходы, в том числе отходы растениеводства, на основе снижения скорости роста отложений золы на конвективных поверхностях нагрева котлов и снижения содержания хлоридов в дымовых газах за счет предварительной торрефикации биомассы, а также за счет защиты конвективных поверхностей нагрева котлов от коррозии и эрозии с помощью специальных покрытий.

3. Область применения результатов проведения исследований

Результаты проекта будут востребованы котлостроительными заводами России и Беларуси, а также промышленными и коммунальными котельными этих и других стран, использующих в качестве топлива биоотходы (промышленные котельные маслобойных заводов, заводов по производству круп, льнокомбинатов, птицефабрик и т.д.). Это обеспечит решение проблемы утилизации образующихся на этих предприятиях отходов, снизит стоимость вырабатываемой тепловой и электрической энергии, сократит выбросы парниковых газов, окиси углерода, золы в атмосферу.

4. Оценка перспектив продолжения работ по проекту

Работы второго этапа и проекта в целом выполнены в полном объёме в соответствии с Планом работ научного исследования.


2024​
 

Этап 1

Соглашение о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий в соответствии с пунктом 4 статьи 78.1 Бюджетного кодекса Российской Федерации № 075-15-2024-628 от "12" июля 2024 г.

Научный руководитель проекта: главный научный сотрудник НЦ «Износостойкость», д.т.н. Рыженков Артем Вячеславович.

Зам. руководителя проекта: директор НЦ «Износостойкость», к.т.н. Григорьев Сергей Владимирович.

1. Цели выполнения исследований

Создание условий для перехода к «зеленой энергетике» при одновременном решении вопросов эффективной и экологически безопасной утилизации биоотходов растениеводства, лесной, деревообрабатывающей, пищевой промышленности и снижения стоимости выработки тепловой и электрической энергии.

2. Основные результаты, полученные при выполнении исследований

В 2024 году в рамках 1 этапа в период с 12 июля 2024 г. по 31 декабря 2024 г. в соответствии с Планом работ научного исследования:

а) Получателем субсидии выполнены следующие работы:

- проведен аналитический обзор технологий повышения эффективности и надежности котлов, сжигающих биоотходы в кипящем слое инертного материала в современной научно-технической, нормативной и методической литературе;

- проведены патентные исследования по тематике проекта;

- разработана эскизная документация для доработки пилотной установки для исследований процесса торрефикации биомассы. Выполнена доработка пилотной установки для исследований процесса торрефикации биомассы;

- разработаны программа и методики исследований на пилотной установке торрефикации и пиролиза биомассы;

- проведены исследования процесса торрефикации трех видов биомассы (лузга подсолнечника, костра льна, измельченная солома) на пилотной установке. Исследовано изменения химического состава биомассы в результате торрефикации в зависимости от температуры (200 и 250 ºС) и продолжительности процесса (30, 45 и 60 мин.);

- разработана концепция способа применения многослойных покрытий для защиты от коррозии и эрозии поверхности топки с кипящим слоем, притопочных и хвостовых газоходов установки, оборудованной топкой кипящего слоя инертного материала;

- разработаны программа и методики проведения исследований характеристик и свойств различных типов сформированных защитных покрытий на экспериментальных образцах;

- изготовлены экспериментальные образцы из материалов притопочных и хвостовых газоходов установки, оборудованной топкой кипящего слоя инертного материала, с сформированными защитными покрытиями;

- проведены исследования характеристик и свойств различных типов сформированных защитных покрытий на экспериментальных образцах. Выбраны лучшие защитные покрытия;

- проведены исследования химического состава материалов слоя, включая исследование химического состава образовавшихся агломератов, при двухстадийном сжигании в кипящем слое кварцевого и оливинового песка исходной биомассы: лузги подсолнечника, костры льна и измельченной соломы.

 

б) Иностранным партнером выполнены следующие работы:

- выявлены закономерности для получения аналитических зависимостей для расчета минимальных скоростей псевдоожижения многокомпонентных слоев частиц;

- проведены пуско-наладочные работы на экспериментальной установке для исследования процесса совместного псевдоожижения;

- разработана методика и получены результаты исследования процесса совместного псевдоожижения частиц кварцевого (оливинового) песка и гранулированной и несгранулированной биомассы (лузга подсолнечника, костра льна, измельченная солома, куриный помет с подстилкой);

- доработана пилотная установка;

- разработана методика исследования процесса двухстадийного сжигания;

- проведены исследования процесса двухстадийного сжигания лузги подсолнечника в кипящем слое кварцевого (оливинового) песка, включая исследование изменения гранулометрического состава слоя в процессе сжигания;

- проведены исследования процесса двухстадийного сжигания костры льна в кипящем слое кварцевого (оливинового) песка, включая исследование изменения гранулометрического состава слоя в процессе сжигания;

- проведены исследования процесса двухстадийного сжигания измельченной соломы в кипящем слое частиц кварцевого (оливинового) песка, включая исследование изменения гранулометрического состава слоя в процессе сжигания.

 

в) Индустриальным партнером в ходе выполнения работ 1 этапа проведена ревизия и пусконаладка полупромышленной топки с кипящим слоем инертного материала.

 

При этом были получены следующие результаты:

В результате проведенного исследования процесса торрефикации трех видов биомассы на пилотной установке и исследования изменения химического состава биомассы в результате торрефикации в зависимости от температуры и продолжительности процесса выявлено следующее:

- для исследованных видов биомассы торрефикация способствует увеличению низшей теплоты сгорания, но этот эффект зависит от вида биомассы: для костры льна с помощью торрефикации можно максимально увеличить теплоту сгорания на 40 – 42,7 %; у соломы – на 26.4 – 29 %, а у лузги подсолнечника – на 30,7 – 32,9 %;

- при торрефикации при температуре 180 ºС даже при длительности обработки 120 мин не удается добиться заметного изменения химического состава биомассы;

- торрефикация и последующая водная промывка оказывает существенное влияние на изменение химического состава золы биомассы и пяти – шестикратное сокращение содержания соединений хлора в торрефицированной биомассе. Т.е. при сжигании торрефицированной биомассы можно ожидать меньшие выбросы соединений хлора и, следовательно, меньшую скорость коррозии хвостовых поверхностей нагрева котла;

При разработке метода защиты от коррозии и эрозии поверхности топки с кипящим слоем, притопочных и хвостовых газоходов установки, оборудованной топкой кипящего слоя инертного материала, было выявлено следующее:

- решение проблемы повышения коррозионной и эрозионной стойкости элементов оборудования топок, притопочных и хвостовых газоходов возможно за счет создания на их поверхностях многофункциональных защитных покрытий;

- формирование таких покрытий должно проводиться в специализированном вакуумном оборудовании, сочетающим возможности магнетронного и дугового методов;

- выбор материалов и технологий для формирования покрытий должен проводиться на основе анализа условий эксплуатации изделий, механических свойств материалов из которых они изготовлены и комплексных результатов эрозионных, коррозионных и абразивных испытаний материала с покрытиями.

Установлено, что лучшим из рассмотренных вариантов покрытий по результатам всех исследований является покрытие вида Cr‑CrC. На 2-м этапе выполнения Соглашения покрытие вида Cr‑CrC будет сформировано на экспериментальных образцах, определены его характеристики, свойства и будут проведены его испытания в полупромышленной топке для двухстадийного сжигания биомассы в кипящем слое инертного материала.

В результате проведенного исследования химического состава материалов слоя, включая исследование химического состава образовавшихся агломератов, при двухстадийном сжигании в кипящем слое кварцевого и оливинового песка исходной биомассы: лузги подсолнечника, костры льна и измельченной соломы, выявлено:

- результаты исследования химического состава материала слоя и образовавшихся агломератов показали, что причиной образования агломератов является легкоплавкая эвтектика SiO2 – K2O;

- при сжигании в кипящем слое оливинового песка костры льна и соломы дефлюидизации не наблюдалось;

- оливиновый песок можно рассматривать как достаточно эффективную альтернативу кварцевому песку при сжигании в кипящем слое таких отходов сельского хозяйства как костра льна, лузга подсолнечника и соломы.

 

Иностранным партнером получены следующие результаты:

В результате проведенного исследования разработана методика расчета полифракционной смеси частиц инерта и биотоплива.

Разработана методика экспериментального исследования процесса совместного псевдоожижения частиц кварцевого (оливинового) песка и гранулированной (негранулированной) биомассы.

Методом гидравлического взвешивания исследованы закономерности совместного ожижения гранулированных и негранулированных биотоплив и инерта. Установлено, что псевдоожижение смесей гранулированной биомассы и инерта сопровождается явлениями суффозии. Псевдоожижение парусных биоотходов в виде лузги подсолнечника отличаются неустойчивым характером и явлениями каналообразования. Для достижения полного псевдоожижения смесей с массовой долей лузги более 2 % необходимы высокие скорости фильтрации, при которых наблюдается режим турбулентного псевдоожижения с активным выносом лузги из кипящего слоя.

На экспериментальной установке, оснащенной двухкамерной циклонно-слоевой топкой с кипящим слоем исследованы особенности сжигания гранулированных биоотходов (солома, лузга подсолнечника, костра льна). Получены зависимости концентрации монооксида углерода, оксидов азота и диоксида серы от коэффициента избытка воздуха при различных режимах работы топки 

Установлено, что при сжигании соломы происходит накопление зольного остатка в слое, которое может привести к дефлюидизации слоя и образованию агломератов и спеков.

Индустриальным партнером подготовлен проведению испытаний вновь разработанных технических решений по обеспечению эффективности и надежности полупромышленная топка с кипящим слоем инертного материала.

Проведенные на первом этапе выполнения работ исследования соответствуют современному уровню науки, а полученные результаты позволят в дальнейшем (на втором этапе проекта) обеспечить комплексное решение проблемы повышения надежности и эффективности котлов с топками кипящего слоя, сжигающих биоотходы, в т.ч. числе отходы растениеводства, на основе снижения скорости роста отложений золы на конвективных поверхностях нагрева котлов и снижения содержания хлоридов в дымовых газах за счет предварительной торрефикации биомассы, а также за счет защиты конвективных поверхностей нагрева котлов от коррозии и эрозии с помощью специальных покрытий.

На основании полученных результатов подготовлена и опубликована статья Tabet F., Milovanov O., Klimov D., Ryzhenkov A, Grigoriev S., Isemin R., Mikhalev A. Study of Flax Shive Pellet Combustion in Cyclone-Bed Furnace with Bubbling Fluidised Bed // Sustainability, 2025. Vol. 17, Issu 57

При выполнении работ первого этапа был получен охраноспособный результат интеллектуальной деятельности и подана заявка на изобретение №2024138036 от 17.12.2024 «Установка для торрефикации биоотходов и генерации электроэнергии», авторы: Григорьев С.В., Рыженков А.В., Милованов О.Ю., Климов Д.В.

Работы первого этапа выполнены в полном объёме, в соответствии с Планом работ научного исследования.

 

3. Область применения результатов проведения исследований

Результаты проекта будут востребованы котлостроительными заводами России и Беларуси, а также промышленными и коммунальными котельными этих и других стран, использующих в качестве топлива биоотходы (промышленные котельные маслобойных заводов, заводов по производству круп, льнокомбинатов, птицефабрик и т.д.). Это обеспечит решение проблемы утилизации образующихся на этих предприятиях отходов, снизит стоимость вырабатываемой тепловой и электрической энергии, сократит выбросы парниковых газов, окиси углерода, золы в атмосферу

 

4. Оценка перспектив продолжения работ по проекту

Результаты работ, полученные на первом этапе выполнения Соглашения, дают основание полагать, что продолжение работы позволит выполнить все запланированные в рамках проекта задачи.

 

 

​

17.12.2025 11:50