Развитие фундаментальных основ перспективных энергоэффективных и экологически чистых технологий для широкого класса приложений, включая энергетику, биоинженерию и химическую промышленность

Настоящий отчет содержит описание основных результатов, полученных в рамках Проекта 121031800229-1. Цель исследования - развитие фундаментальных основ создания перспективных энергоэффективных и экологически чистых технологий, включая: - получение новых фундаментальных знаний о процессе горения и газификации углеродосодержащих топлив в потоке газа различной реакционной способности с добавлением водяного пара и наночастиц активных металлов, с использованием технологий плазменной и механохимической активации; - научное обоснование новых методов диагностики и управления процессами тепломассопереноса переноса в энергетических системах; - совершенствование методов экспериментального и численного моделирования нестационарных процессов в элементах энергетического оборудования, относящихся к задачам тепло-, гидро- и ветроэнергетики. В рамках выполнения проекта исследовано плазменно-технологическое оборудование и плазменные технологий переработки техногенных отходов, в том числе, газификация твердых топлив в интересах экологии тепло- электроэнергетики. Была проведена разработка и расчетно-экспериментальные исследования плазменно-технологического оборудования и плазменных технологий переработки техногенных отходов, в том числе, газификация твердых топлив в интересах экологии тепло- электроэнергетики. Экспериментальные исследования электродугового плазмотрона мощностью 50 кВт показали возможность беспрерывной работы его электродов от 500 часов и более. Исследованы поршневые установки для точного воспроизведения и измерения больших расходов газа. В процессе работы проводились экспериментальные исследования отдельных составляющих и общей погрешности установок. В результате исследования впервые были созданы две поршневые реверсивные расходомерные установки: первая на расходы до 0,07 м3/с, вторая - до 0,33 м3/с. В результате исследования изучены распределения скорости и пульсации давления при различных режимах работы гидротурбины и проведено сравнение различных способов их моделирования в случаях доминирования винтовой структуры за рабочим колесом. Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели: высокая точность измерения при больших значениях расхода газа. Степень внедрения - вторая установка по разработанной методике аттестована как образцовая. Эффективность установок определяется их малым влиянием на ход измеряемых процессов. Обе установки могут применяться для градуировки и поверки промышленных ротационных счетчиков газа, а также тахометрических расходомеров. Установлены закономерности процессов воспламенения и горения дисперсных систем, содержащих реакционноспособные наночастицы, в том числе на основе калориметрических измерений. А именно, на примере сжигания дизельного топлива с добавлением наночастиц оксида алюминия (Al2O3) получено, что при добавлении частиц наблюдается более высокая теплота сгорания топлива, а также более низкие показатели по содержанию оксидов азота в продуктах сгорания по сравнению с горением чистого топлива. Разработана нелинейная модель электромагнитных процессов и процессов теплопереноса при плавлении диэлектрика (слой льда и вода), корректно учитывающая нелинейный характер зависимости теплофизических свойств среды и диэлектрической проницаемости от температуры. С помощью численных методов были получены температурные поля и определена скорость движения границы фазового перехода при плавлении. Исследованы процессы каталитической гидрогенизации сапропелитовых углей. Задачей (предметом) исследования было выявление механизмов термической переработки низкометаморфизованных углей Кузбасс в присутствии каталитических добавок в углекислотной и водородной средах, установление их влияния на кинетику термических превращений с получением газообразных, жидких и твердых ценных продуктов. Изучена возможность получения жидких продуктов в процессах термообработки в среде водорода (T ~ 475 C; PH2 ~ 7-9 МПа; t ~ 20 мин) трех низкометаморфизованных углей Кузбасса: барзасских сапромикситов [плитчатой модификации («плитки») и продукта ее выветривания («рогожки»)], бурых углей Итатского месторождения и длиннопламенных углей разреза Караканский-Западный. Наибольший выход «угольных жидкостей» (мальтенов и асфальтенов) среди исследуемых твердых топлив был получен для барзасских углей. Предложены два независимых параметра гидрируемости углей [относительная максимальная скорость пиролиза углей в интервале 300-500C и относительная интенсивность ИК-полос поглощения алкильных групп [(D2920+D2860)/D1600 в исходных углях], которые могут быть использованы для экспресс-оценки реакционной способности твердых топлив при их термообработке в среде водорода, а также для прогнозирования возможности их применения в качестве сырья для процессов гидрирования и ожижения. Разработана техническая документация на изготовление моделей перспективного десорбера для двухступенчатой и трехступенчатой десорбции абсорбента в АБТТ. В качестве греющего источника в моделях используются блок ТЭН и горячий теплоноситель, подаваемый в трубный пучок. Проведены оценочные расчёты значений теплового коэффициента АБТТ с двухступенчатой абсорбцией и двухступенчатой десорбцией в режиме выработки холода для системы кондиционирования. Расчёты показали, что значение теплового коэффициента (0,58÷0,7) сопоставимо с коэффициентом для промышленных АБТТ с одноступенчатой абсорбцией и десорбцией. АБТТ с двухступенчатой абсорбцией и двухступенчатой десорбцией имеют большие перспективы применения. Исследована технология воспламенения и горения углеродсодержащего топлива с использованием плазматрона переменного тока, получены экспериментальные результаты, которые свидетельствуют о стабильном воспламенении газовых углей на экспериментальном стенде 5 МВт. Технология позволяет производить растопку котла без использования растопочного мазута на теплоэлектростанциях и котельных.