О прикладных аспектах инновационных системотехнических решений по децентрализованной энергетической утилизации углеродсодержащих отходов с использованием технологий ракетно-космической техники

Язык труда и переводы:
УДК:
620.92
Дата публикации:
15 декабря 2021, 23:41
Категория:
Секция 09. Космонавтика и устойчивое развитие общества (концепции, проблемы, решения)
Авторы
Тихомиров Игорь Владимирович
Филиал АО «Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры» – КБ «Мотор»
Забегаев Александр Иванович
Филиал АО «Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры» – КБ «Мотор»
Аннотация:
Сформулированы принципы построения малых автономных энергоустановок (до 1000 кВт), реализующих процесс переработки местных энергоресурсов — низкосортного (некондиционного) твердого углеродсодержащего сырья (отходов производства и потребления) в электроэнергию с использованием экологически безопасной технологии внутрицикловой паровоздушной газификации в унифицированном компактном цилиндрическом наклонном вращающемся реакторе плотного слоя с водяной рубашкой охлаждения по технологиям жидкостного ракетного двигателя, а также с применением тепловых машин с замкнутым циклом и/или газопоршневых двигателей при системной рекуперации тепла. Посредством системного анализа эксплуатационно-технических характеристик разработанного инновационного продукта — малых твердотопливных электростанций как комплексов унифицированного оборудования в модульном полустационарном и мобильном вариантах исполнения — определены цели, направления и сферы их эффективного применения, обоснована их конкурентоспособность на перспективном мировом энергетическом рынке.
Ключевые слова:
местное возобновляемое сырье, энергетическая утилизация отходов, газификация твердого топлива, испарительно-регенеративное транспирационное охлаждение, малая автономная твердотопливная электростанция, экологическая безопасность, распределенная энергетика
Основной текст труда

Приоритетным направлением научно-технического прогресса в энергетике является создание и развитие эффективных технологий использования местных энергоресурсов, а также создание инфраструктуры распределенного производства энергии в рамках концепции распределенной энергетики (Distributed power generation). В свете стратегических ориентиров долгосрочной государственной энергетической политики, согласно распоряжению Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» и указу президента Российской Федерации от 1 декабря 2016 г. № 642 «Стратегия научно-технологического развития Российской Федерации», инновационные технологии автономной электрогенерации с внутрицикловой газификацией твердого топлива следует рассматривать как перспективный инвестиционный проект для реализации предприятиями ракетно-космической отрасли на базе накопленного опыта в создании высокотехнологичной продукции и с учетом перспектив развития низкоуглеродной энергетики. Существующее оборудование [1, 2] имеет низкую энергоэффективность, не отвечает современным требованиям по ряду эксплуатационно-технических характеристик (компактности, простоте и удобству обслуживания, надежности, рабочему ресурсу, универсальности по сырью, а также по экологической безопасности). Актуальной задачей является определение областей эффективного применения разработанных в филиале АО «ЦЭНКИ» – «КБ «Мотор» инновационных системотехнических решений по построению малых модульных энергоустановок с внутрицикловой газификацией для переработки некондиционного углеродсодержащего сырья (отходов) в электроэнергию (waste-to-energy) как конкурентоспособной альтернативы дорогостоящим мусоросжигательным технологиям.

В основу технических решений [3–10] положены следующие инновационные подходы:

  • создание унифицированного реактора-газификатора (УРГ) на базе перспективной технологии Института проблем химической физики Российской академии наук (ИПХФ РАН) — паровоздушной газификации в плотном слое в цилиндрическом наклонном вращающемся реакторе прямого процесса в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом [11] — с применением технологий испарительно-регенеративного транспирационного охлаждения жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) [12];
  • применение тепловых машин новейшего поколения с замкнутым циклом и/или газопоршневых двигателей;
  • интегрированное конструирование функциональных агрегатов (блоков) при системной рекуперации сбросного тепла (отработавшего пара, дымовых газов);
  • кластерное применение УРГ для построения типоразмерного ряда малых электрогенерирующих установок.

Перечислим основные инновационные системотехнические решения: 

  • малые автономные электростанции в полустационарном исполнении номинальной мощностью 500…1000 кВт. Состав: модуль топливоподготовки (специализированные средства механической обработки сырья, конденсационно-сушильный блок); модуль газификации (реакторный кластер УРГ прямого процесса); модуль электрогенерации (тепловые машины с замкнутым циклом и непосредственным сжиганием получаемого топливного газа (микротурбина паровая/органического цикла, паровая винтовая машина, паровой поршневой двигатель, двигатель Стирлинга) [4–8].
  • малые автономные электростанции в мобильном исполнении номинальной мощностью 100…500 кВт. Состав: модуль топливоподготовки (унифицированные средства механической обработки сырья, сушильный блок); модуль газификации (реакторный кластер УРГ реверсивного действия); модуль электрогенерации (кластер газопоршневых двигателей с водо-воздушным охлаждением и электрогенератором, доработанных под топливный газ) [4, 5, 9, 10].

    Оценки рабочих параметров реакторов, а также энергетической эффективности решений получены с использованием математических моделей на системных уровнях.
    Отметим эксплуатационно-технические характеристики:
  • компактность: полная интеграция функциональных агрегатов топливоподготовки и газификации в единый топливный блок, построение компактных реакторов с водяной рубашкой; размещение оборудования на едином транспортном агрегате (автомобильного, железнодорожного, водного базирования);
  • унификация до 100 %. Блочно-модульная схема на основе унифицированных агрегатов с высокой заводской готовностью создает условия для серийного производства установки, с возможностью построения модельного типоряда по мощности;
  • автоматизация до 100 %;
  • рабочий ресурс до 30 лет;
  • надежность: обеспечивается работой основных агрегатов (реакторы-газификаторы) непрерывно в оптимальном режиме;
  • ремонтопригодность: обеспечивается применением унифицированного на 100 % оборудования и блочно-модульной схемой построения.

Обратим внимание на технико-экономическую эффективность:

  • автономность: практически полная по используемым ресурсам, для работы необходима только вода (~ 30...40 % от потребляемого сырья) и запас масла (до 1 г/кВт электроэнергии для газопоршневых двигателей). При использовании морской воды дополнительно возможна опция опреснения. Самообеспечение по электроэнергии;
  • КПД газификации углерода ~ 100 %, КПД электростанции — до 80 %; 
  • экологическая безопасность: технологическая схема позволяет исключить все возможные вредные выбросы в атмосферу (угарный газ, оксиды азота, сажа, пыль, диоксины) с дымовыми и выхлопными газами, сбросы воды отсутствуют;
  • характеристика сырьевой базы: местные энергоресурсы, включая дешевые, в том числе с нулевой и отрицательной стоимостью, сырье может быть некондиционным (высокозольное, высокобитуминозное, влажное) твердым углеродсодержащим сырьем, например, отходы производства, твердые коммунальные отходы (ТКО), и низкосортным ископаемым сырьем, например, торф, бурые угли, битуминозные пески, нефтешламы;
  • электрическая мощность от 100…1000 кВт, производительность 100…1000 кг/ч (сухая масса);
  • себестоимость электроэнергии (с учетом амортизации): 0,3…1,3 руб/кВтч (в зависимости от мощности и режима работы электростанции).

Направления применения рассматриваются в двух аспектах.

  1. Как основа для построения устойчивой системы децентрализованного электроснабжения.
  2. В рамках решения проблемы экологически безопасной утилизации (использования) отходов, в том числе ТКО.

Несмотря на насущные потребности мирового энергетического рынка, широкое внедрение перспективных технологий газификации твердого топлива сдерживается отсутствием эффективных системотехнических решений, отвечающих практическим потребностям потенциальных пользователей, что предполагает наличие экспортного потенциала в предлагаемой разработке. Несмотря на остроту проблемы отходов, в настоящее время в Российской Федерации отсутствует концепция эффективного ее решения, особенно для больших муниципальных образований.

Сферы эффективного конкурентоспособного применения представленных разработок:

  • автономно в локальной малой энергетике в зонах децентрализованного электроснабжения;
  • на территориях с долговременными чрезвычайными ситуациями;
  • на станциях зарядки электромобилей;
  • в качестве элемента инфраструктуры водородной энергетики;
  • в качестве экологически чистой альтернативы мусоросжигательным технологиям.

Системный анализ прикладных аспектов рассмотренных решений показывает высокую эффективность их применения в русле стратегических направлений энергетической политики:

  • поддержание энергетической безопасности за счет диверсификации электроснабжения с построением устойчивой системы децентрализованного электроснабжения, в том числе для чрезвычайных ситуаций, а также поддержания баланса спроса с учетом перспектив развития глобальной неуглеродной экономики;
  • повышение энергетической эффективности экономики за счет использования местных энергоресурсов, включая дешевые, в том числе с нулевой и отрицательной стоимостью, ориентации на экспортные поставки для электрификации регионов с дефицитом ископаемых углеводородов, с жесткими экологическими законодательствами;
  • обеспечение экологической безопасности энергетики посредством решения проблемы экологически безопасной утилизации (использования) отходов, рекультивации земель с исключением вредных выбросов в атмосферу, в том числе парниковых газов, и загрязнения водных ресурсов.
Литература
  1. Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития. М.: Инфра-Инженерия, 2012. 504 с.
  2. Овсянко А.Д., Печников С.А. Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы. СПб.: Биотопливный портал, 2008. 360 с.
  3. Тихомиров И.В., Забегаев А.И. Системотехнические аспекты создания инновационных технологий автономной электрогенерации на основе местного низкосортного углеродсодержащего сырья в русле диверсификации оборонно-промышленного комплекса // Труды секции 22 имени академика В.Н. Челомея XLIII Академических чтений по космонавтике «Ракетные комплексы и ракетно-космические системы. Проектирование, экспериментальная отработка, летные испытания, эксплуатация». Реутов: ВПК «НПО машиностроения», 2019. Вып. 7. С. 398–422.
  4. Забегаев А.И., Тихомиров И.В., Каменский Л.В., Карепанов М.В. Способ газификации топливной биомассы и устройство для его осуществления. Пат. № 2631811 Российская Федерация, 2017, бюл. № 27. 20 с.
  5. Забегаев А.И., Тихомиров И.В., Каменский Л.В., Карепанов М.В. Способ газификации топливной биомассы и устройство для его осуществления. Пат. № 2631812 Российская Федерация, 2017, бюл. № 27. 27 с.
  6. Варочко А.Г., Забегаев А.И., Тихомиров И.В. Способ получения электроэнергии из некондиционной топливной биомассы и устройство для его осуществления. Пат. 2631450 Российская Федерация, МПК F02C 3/28(2006.01), F23G 5/027(2006.01), C10J 3/66(2006.01), 2017, бюл. № 27. 26 с.
  7. Варочко А.Г., Забегаев А.И., Тихомиров И.В. Способ получения электроэнергии из некондиционной топливной биомассы и устройство для его осуществления. Пат. 2631455 Российская Федерация, МПК F23G 5/04(2006.01), F23K 1/04(2006.01), F01K 17/04(2006.01), 2017, бюл. № 27. 26 с.
  8. Варочко А.Г., Забегаев А.И., Тихомиров И.В. Способ получения электроэнергии из некондиционной топливной биомассы и устройство для его осуществления. Пат. 2631456 Российская Федерация, 2017, бюл. № 27. 27 с.
  9. Тихомиров И.В., Егоров О.В., Забегаев А.И. Способ газификации твердого топлива и устройство для его осуществления. Пат. 2668447 Российская Федерация, 2018, бюл. № 28. 29 с.
  10. Тихомиров И.В., Тихомирова Т.С. Способ автономной электрогенерации и устройство — малая твердотопливная электростанция для его осуществления. Патент № 2737833 Российская Федерация, 2020, бюл. № 34. 37 с.
  11. Кислов В.М. Газификация древесины и ее компонентов в фильтрационном режиме: автореферат дисс. ... канд. физ.-мат. наук. Черноголовка, ИПХФ РАН, 2008. 35 с.
  12. Дорофеев А.А. Основы теории тепловых ракетных двигателей (общая теория ракетных двигателей). М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. 414 с.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.