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
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 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.