Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Выполнен обзор патентных и непатентных источников информации, который показал, что основным ограничением коммерческого распространения технологий газификации является необходимость получения достаточно чистого газа, содержащего минимальное количество смолы. Предельно допустимое содержание смолы в питающем двигатель внутреннего сгорания газе составляет 50 мг/нм3. Для газовой турбины эта величина составляет 5 мг/нм3, для топливного элемента – 1 мг/нм3 [Hasler, 1999]. Кондиционирование газа осуществляется в газоочистных системах, содержащих промывные и фильтрующие аппараты. Такие системы отличаются высокой стоимостью их производства и обслуживания. Многозонная газификация является одним из перспективных процессов конверсии топлива, позволяющая решить проблему глубокого разложения смолы непосредственно в термохимическом реакторе. На первой стадии многозонного газогенератора организуется пиролиз топлива с получением полукокса и пиролизных газов. Эти газы направляются на вторую стадию процесса, где смешиваются с окислителем (воздух, кислород, пар и их смеси). На второй стадии протекает процесс неполного окисления горючих газов и смолы. На третьей стадии процесса этими продуктами горения газифицируется полукокс, полученный на стадии пиролиза топлива. Также проведенное исследование показало, что на данный момент не существует серьезных правовых ограничений для разработки и создания установки с усовершенствованной технологией (способами) стадийной газификации биомассы. Общая схема многозонного процесса была запатентована ранее. В то же время возможно совершенствование схемы и разработка новых технологических решений, позволяющих повысить эффективность процесса газификации биомассы, например таких как дополнительные зоны конверсии смолы, зоны реагирования газа с коксовым остатком и условия протекания реакций в этих зонах, усовершенствованные конструкции отдельных узлов установки и другие технологические решения. За основу разрабатываемой в рамках проекта технологии многозонной газификации взята схема процесса Датского технического университета [Henriksen, 2006; Gøbel, 2004]. Чтобы повысить степень переработки топлива, в предлагаемой конструкции газогенератора существенно изменена стадия газификации полукокса. Она представляет собой гибридный реактор, совмещающий в себе обращенный и прямой процесс. Кокс газифицируется не только спутным потоком продуктов неполного окисления пиролизного газа, но и нагретым воздушным дутьем в противоточном по направлению к движению топлива процессе. Таким образом, предложена новая конструкция многозонного газогенератора, позволяющая повысить эффективность и глубину переработки древесного топлива. Процесс пиролиза (первая ступень многозонного газогенератора) можно проводить как в автотермическом, так и в аллотермическом режимах. Автотермический режим подразумевает частичное сжигание топлива в реакторе за счет подвода воздушного дутья (окислительный пиролиз). В аллотермическом режиме необходим внешний подвод тепла в реактор, то есть его обогрев за счет рекуперации тепла выхлопных газов ДВС или генераторного газа. Для исследования автотермического процесса окислительного пиролиза древесной биомассы были проведены экспериментальные работы на лабораторном стенде обращенного газогенератора, на котором можно провести процесс подобный тому, который протекает на первой ступени многозонного газогенератора TK Energy. В исследовании было проведено сопоставление режимов газификации топлива и окислительного пиролиза. В случае окислительного пиролиза осуществлялось удаление древесного угля из реактора. Установлено, что состав пиролизного газа оказывается близким к генераторному. При окислительном пиролизе объем горючего газа увеличивается незначительно (на 3-9%), не смотря на то что расход топлива возрастает на 67-98%. Также увеличивается выход смолы с 1-2 г/ч в режимах газификации до 60-280 г/ч при окислительном пиролизе. При сравнительной простоте конструкции реактора, процесс окислительного пиролиза обладает рядом недостатков: ограничением по влажности перерабатываемого топлива (не выше 20-30%), и низким химическим КПД (по сравнению с реактором аллотермического пиролиза). Для исследования процесса аллотермического пиролиза разработан эскизный проект и смонтирован лабораторный стенд конверсии древесной щепы производительностью 30 кВт по топливу. Для предотвращения спекания частиц биомассы и создания однородных условий их реагирования организована шнековая транспортировка топлива. Проведение экспериментальных работы на этом стенде планируется наследующий год. Для получения детальных сведений о режимах работы пиролизера, было осуществлено моделирование протекающих в нем процессов тепломассообмена с использованием CFD-пакета Comsol Multhysics. При описании процессов пиролиза и транспорта летучих продуктов внутри частиц древесины и их перехода в газовую фазу были использованы результаты кинетических измерений, проведенных с помощью термического анализа и масс-спектрометрии. Результаты CFD моделирования включили информацию о распределении температуры по длине реактора. Модель содержит блок кинетического описания химических реакций, что позволяет определить поля концентраций образующихся при разложении древесины веществ. В рамках расчетного исследования установлен вклад лучистых тепловых потоков в суммарный процесс теплообмена, который составляет величину порядка 5%. Полученная оценка позволяет исключить из расчета уравнения радиационного переноса и значительно уменьшить время вычислений. Проведены первичные расчеты, которые показали оптимальную скорость движения греющих газов в кожухе пиролизера составляющую 0,3 м/с. При такой скорости возможна реализация термически оптимальных режимов работы пиролизера и многозонного газогенератора. Предложена схема теплоэнергетической установки (ТЭУ), в составе которой может работать многозонный газогенератор. Составлена математическая модель такой ТЭУ. Проведены вариантные расчеты, в которых варьировали номинальную мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (30 и 100 кВт). Расчеты показали, что мощность ДВС незначительно влияет на величину электрического и полного КПД установки. Проведен тепловой расчет работы четырехтактного газопоршневого двигателя на генераторном газе, который указывает на уменьшение температуры выхлопных газов с ростом мощности двигателя. Установлено, что на 1 кВт выработанной электроэнергии в когенераторных установках производится 1,2-1,3 кВт тепловой энергии. При подборе необходимого ДВС был исследован мировой рынок данного оборудования. На рынке представлено около 40 российских и зарубежных компаний. При этом характеристики зарубежных двигателей на газовом топливе зачастую превосходят отечественные. Предлагаемый диапазон мощностей значительно шире от 0,14 до 16,6 МВт, в то время как у российских производителей он составляет от 0,3 до 1,75 МВт. Удельные расходы газового топлива в отечественных двигателях на 20-30% выше зарубежных. Разработки зарубежных компаний более ориентированы на альтернативное газовое топливо. В России такой подход не получил распространения: производятся двигатели предназначенные для работы на природном газе или смешанном газодизельном топливе. Определены мероприятия, необходимые для модернизации ДВС для работы на низкокалорийном генераторном газе. Например, для смещения момента зажигания предложено использовать искровое зажигание, которое позволяет обеспечить устойчивое воспламенение низкокалорийной топливно-воздушной смеси. Анализ возможности применения ТЭУ с многозонным газогенератором в реальных энергетических системах показал, что данные установки экономически эффективно применять в зонах децентрализованного энергоснабжения или в экологических зонах, в которых использование ископаемых углей ограничено. Удельные капиталовложения для строительства газогенераторных электрических станций (ГГЭС) составляют порядка 1000-4000 дол./кВт. Технико-экономическая оценка эффективности ГГЭС свидетельствует о том, что данные станции в ряде случаев экономически более эффективны, чем дизельные установки и способны конкурировать с ветроэнергетическими и солнечными электростанциями. ГГЭС могут работать совместно с альтернативными источниками для сглаживания пикового электропотребления в указанных районах. Определен технический и экономический потенциал энергетического использования древесины на период до 2020 г. с учетом разных сценариев развития возобновляемой энергетики. Технический потенциал ресурса составляет 107-150 млн. м3/год. Экономический потенциал по инерционному сценарию находится в диапазоне 15-25 млн. т у.т/год, по инновационному – 23-35 млн. т у.т/год. Следует отметить, что данные величины не включают в себя оценку потенциала лесных хвойных массивов охваченных бактериозом (усыхание), которые подлежат санитарной вырубке. Площади таких лесных массивов весьма обширны и составляют в ряде случаев несколько тысяч гектар, например лесные массивы в Иркутской области.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В рамках работ по проекту РНФ № 16-19-10227 «Разработка эффективной технологии получения газа энергетического назначения на основе ступенчатой газификации низкосортных твердых топлив» было опубликовано 10 научных статей и одна глава в коллективной монографии, в которых отражены основные результаты работы коллектива в 2017 г. Все опубликованные работы индексируются российским индексом научного цитирования (РИНЦ). Пять статей опубликованы в журналах, входящих в международные базы цитирования Web of Science и Scopus, одна из которых опубликована в журнале первого квартиля “International journal of hydrogen energy” (https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.02.076). Коллектив авторов опубликовал главу в коллективной монографии “Pyrolysis” издательства InTech (https://www.intechopen.com/books/pyrolysis/modeling-of-pyrolysis-in-a-stage-scheme-of-low-grade-solid-fuel-gasification). Также стоит отметить, что на данный момент рассматривается заявка на регистрацию программы для ЭВМ по моделированию процессов, протекающих при газификации твердых топлив в обращенном реакторе. Результаты исследований были представлены на профильных российских и зарубежных конференциях. Конференция 25-th European Biomass Conference and Exhibition, которая прошла в июне в г. Стокгольм (Швеция) является крупнейшим форумом, на котором обсуждаются вопросы использования биомассы. Стоит отметить, что на всех конференциях представленные работы были высоко оценены научной общественностью. Одним из важных результатов 2017 г. являются экспериментальные данные пиролиза древесной биомассы, которые были получены на лабораторном стенде, созданного в рамках работ по проекту. Полученные данные позволили разработать эскизный проект лабораторного стенда многоступенчатого газогенератора. Поскольку пиролиз является первой стадией данного газогенератора и именно он определяет дальнейший путь реализации многозонного процесса. Таким образом, исследование режимов пиролиза древесного топлива в шнековом пиролизере и полученные сведения о материальных потоках установки позволили определить границу режимов наиболее подходящих для организации многоступенчатой газификации. Другим важным результатом работы являются разработка моделей для изучения процессов проходящих на разных стадиях многоступенчатой газификации. Были разработаны кинетико-термодинамическая модель процесса термического разложения слоя древесных частиц при нагреве фильтрующимся горячим газом, кинетическая модель горения пиролизного газа. С использованием CFD-пакета COMSOL Multiphysics была исследована аэродинамика струйного эжектора, который необходим для наиболее полного смешения осмоленного пиролизного газа и воздуха, также он обеспечивает рециркуляцию горючего газа на второй ступени многозонного газогенератора. Инструментальные исследования по кинетике термохимической конверсии, проводимые на комплексе синхронного термического анализа STA 449 F1 (Netzsch, Германия) используются в качестве исходной информации для разрабатываемых моделей. Примечательны результаты системного сопоставления разрабатываемой технологии ступенчатой газификации древесной биомассы с альтернативными источниками энергии. Показано, что в условиях России ГГЭС и ВЭУ эффективны во всех климатических зонах, ФЭП эффективны только в южных районах страны (с приходом солнечной радиации на горизонтальную поверхность выше 1200–1250 кВт•ч/м2). Доля ВЭУ в энергосистеме максимальна в северных районах и южных районах и минимальна в Центре России, где средняя скорость ветра редко превышает 4 м/с. Роль ГГЭС максимальна на Севере, где сосредоточены основные ресурсы древесного топлива и минимальна цена топливной щепы. Во всех рассмотренных вариантах ДЭС выполняет роль пикового маневренного энергоисточника для обеспечения бесперебойного электроснабжения. Также стоит отметить, что при стоимости тепла около 1 ¢/kWh стоимость электроэнергии мини-ТЭЦ на древесном топливе в три раза меньше стоимости электроэнергии дизельной электростанции. Поэтому ее использование оказывается наиболее предпочтительным техническим решением для тепло- и электроснабжения автономных потребителей малой мощности. Однако газопоршневая электростанция (при наличии в данном пункте газа) почти всегда более экономична. Это объясняется низкой внутренней ценой российского газа, значительно более низкой, чем в европейских странах. Мини-ТЭЦ на древесном топливе имеет шанс конкурировать с электростанцией на газе лишь при дорогом газе и работе в пунктах, расположенных близко к местам лесозаготовки. Кроме того, энергоустановка на базе многоступенчатого процесса газификации экономически эффективна, чем одностадийные установки газификации, ДВС и установки использующие цикл Ренкина.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В рамках работ по проекту РНФ № 16-19-10227 «Разработка эффективной технологии получения газа энергетического назначения на основе ступенчатой газификации низкосортных твердых топлив» в 2018 году было опубликовано 4 научные статьи в журналах, входящих в международные базы цитирования Web of Science и Scopus, одна из которых опубликована в журнале первого квартиля “International Journal of Thermal Sciences” (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1290072917317829). Получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ по моделированию процессов, протекающих при газификации твердых топлив в обращенном реакторе. Результаты исследований были представлены на профильных российских и зарубежных конференциях. Зарубежные конференции - 10 th International Conference on Applied Energy (ICAE2018), которая прошла 22-25 августа в г. Гонконг (Китай) – стендовый доклад, 12 th European Symposium on Thermal Analysis and Calorimetry (ESTAC12) 27-30 августа 2018, г. Брашов (Румыния) – устный доклад, XI International Conference on Computational Heat, Mass and Momentum Transfer (ICCHMT 2018) 21-24 мая 2018, г. Краков (Польша) – устный доклад. Российские конференции - III Всероссийская конференция "Теплофизика и физическая гидродинамика" с элементами школы молодых ученых, 10-16 сентября 2018, г. Ялта (Россия) – 2 устных доклада. Данные конференции являются крупнейшими форумами, на которых обсуждаются вопросы термохимической конверсии древесной биомассы. Стоит отметить, что на всех конференциях представленные работы были высоко оценены научной общественностью. Одним из важных результатов 2018 г. является завершение монтажа лабораторного стенда многоступенчатой газификации древесной биомассы мощностью 30 кВт по топливу. Лабораторный стенд состоит из трех реакторов – реактор пиролиза, реактор дожигания пиролизного газа и смолы, реактор газификации. Такая организация процесса позволяет получать бессмольный генераторный газ. Данный факт был подтвержден входе выполнения эксперимента с использованием разработанного газогенератора. Кроме того, разработана уникальная конструкция струйного устройства, которое необходимо для наиболее полного смешения осмоленного пиролизного газа и воздуха, также оно обеспечивает рециркуляцию горючего газа в ректоре дожигания пиролизного газа и смолы в многоступенчатом газогенераторе. Другим важным результатом работы являются разработка моделей для изучения процессов проходящих на разных стадиях многоступенчатой газификации. Были разработаны кинетические модели горения осмоленного пиролизного газа, а также испарения влаги из древесной биомассы С использованием CFD-пакета COMSOL Multiphysics была разработана модель теплообмена и аэродинамики реактора газификации, совмещенного с реактором дожигания пиролизного газа и смолы. Также была верифицирована ранее разработанная модель теплообмена с учетом кинетики протекания химических реакций в реакторе пиролиза. Для расчета кинетических коэффициентов для разработанных моделей использовался метод синхронного термического анализа, совмещенного с квадрупольным масс-спектрометром. Примечательны результаты системного сопоставления разрабатываемой технологии ступенчатой газификации древесной биомассы с альтернативными источниками энергии. Так с помощью математического моделирования исследована энергосистема с возобновляемыми источниками энергии, использующими солнечную энергию и древесную биомассу для совместного производства электроэнергии и тепла. Выбраны оптимальная структура энергосистемы, включающей газогенераторную мини-ТЭЦ на топливной древесной щепе, котельную, использующую топливные гранулы (пеллеты), фотоэлектрические преобразователи, систему солнечного теплоснабжения, аккумуляторные батареи, инвертор и дизельную электростанцию на дизельном топливе. Исследованы режимы работы энергоисточников. Показано, что при удорожании газогенератора мини-ТЭЦ ее установленная мощность начинает уменьшаться при одновременном увеличении отпуска тепла от ДЭС и повышении роли солнечных установок. При увеличении капиталовложений в мини-ТЭЦ, приходящих на газогенератор до 120 тыс. руб/кВт эти энергоустановки становятся неэкономичными. Также было учтено влияние системных эффектов на динамику процессов производства, аккумулирования и потребления энергии. Показана экономическая эффективность совместного использования солнечной энергии и древесной биомассы для производства электричества и тепла. Показано, что в рассмотренной энергосистеме основную выработку энергии (более 50 % электрической и около 80 %) обеспечивают энергоисточники на древесном топливе. Установлено, что в летний период мощность мини-ТЭЦ на древесной биомассе достаточна для покрытия всей тепловой нагрузки (горячее водоснабжение). Днем, в период выработки тепловой энергии системой солнечного теплоснабжения ее мощность снижается. Дизельный агрегат включается в вечернее время для покрытия вечернего пика электропотребления. В зимний период происходит существенное увеличение электрической и, особенно, тепловой нагрузки. Роль солнечного теплоснабжения невелика, поэтому мини-ТЭЦ на древесной биомассе работает в постоянном режиме без снижения мощности. Для отслеживания изменения электрической нагрузки работает ДЭС. Таким образом, основной вклад в годовую выработку электрической энергии вносят мини-ТЭЦ на древесной биомассе и ФЭП. Дизельный агрегат производит около 15 % электроэнергии. Предложен новый метод моделирования энергетических характеристик термоэлектрических устройств с помощью метода возмущений.