Подписка на новости

Если Вы хотите с завидной периодичностью получать наши новости и обновления, оставьте адрес Вашей почты:

Мобильная версия

Разработка блоков генерации водорода для экологически чистых когенерационных энергоустановок

Описание результатов проекта

«Разработка блоков генерации водорода для экологически чистых когенерационных энергоустановок»

Название нанотехнологии – технология получения нанокристаллических гидроксидов и оксидов алюминия и генерации водорода для экологически чистых когенерационных энергоустановок.

Характеристика
Выполняемые функции - разрабатываемые технологии должны обеспечить производство нанокристаллических гидроксидов и оксидов алюминия, водорода, тепловой и электрической энергии.

Технические характеристики экспериментального образца блока генерации водорода когенерационной энергоустановки (КЭУ-10):

производительность по нанокристаллическому гидроксиду алюминия 16 кг/ч,
производительность по водороду 10 нм³/ч,
тепловая мощность не менее 18 кВт.

На разработанные блоки генерации водорода и получения нанокристаллического порошка гидроксида алюминия (бемит) разработана следующая технологическая документация:

технологический процесс приготовления суспензии из дисперсного алюминия и воды с регулируемым соотношением компонентов;
технологический процесс подачи суспензии в реакторы и проведения реакции до полного окисления алюминия;
технологический процесс поддержания режимов нагрева и охлаждения реакторов и других агрегатов ЭТК в оптимальных режимах;
технологический процесс непрерывного вывода паро-водородной смеси из реакторов с последующей конденсацией воды для получения водорода с заданными техническими показателями;
технологический процесс вывода смеси твердых би-продуктов и воды из реакторов с последующей сепарацией воды и направлением ее в систему приготовления суспензии;
технологический процесс кондиционирования твердых би-продуктов до товарного уровня.

Разработана конструкторская документация комплексного испытательного стенда, обеспечивающего выполнение программы испытаний создаваемого оборудования, технологическая схема которого приведена на рис.1.

Разработаны опытные агрегаты: узлы картриджной заправки алюминия, непрерывного приготовления и подачи суспензии; форсуночные узлы (активаторы реакции гидротермального окисления алюминия); теплообменник и конденсатор пароводородной смеси с устройствами вывода и сбора водорода; узел сбора гидрооксида алюминия;

Для обеспечения непрерывной работы блока генерации водорода установки КЭУ-10 в составе автоматизированной системы контроля и управления (АСКУ) создана и отработана подсистема автоматического приготовления суспензии порошка алюминия с водой, схема которой представлена на рис. 2. Управление системой включается нажатием кнопки «Автоуровень» на дисплее АСКУ.

Рисунок 1 – Технологическая схема проведения испытаний в непрерывном режиме

Основными измеряемыми параметрами являлись:
Т_р1 – температура в верхней части реактора;
Т_р4 – температура в нижней части реактора;
Т_в1 – температура в магистрали вывода пароводородной смеси после жиклера;
Т₀₁ – температура в сборнике гидроксидов алюминия;
Т₀₂ – температура в магистрали вывода гидроксидов алюминия после жиклера;
Р₀₂ – давление в реакторе;
Р₀₃ – давление в конденсаторе паров воды;
Р₀₄ – давление в сборнике гидроксидов алюминия;
Р₀₆ – давление в магистрали вывода пароводородной смеси после жиклера.

Рисунок 2 – Схема автоматического приготовления и подачи в реакторы
установки КЭУ-10 суспензии порошка алюминия с водой

Основным управляющим элементом схемы автоматического приготовления суспензии порошка алюминия с водой является датчик уровня LТ02. Алгоритм управления заключается в том, что при достижении задаваемого нижнего уровня суспензии в смесителе LТ02min одновременно включаются привод дозатора порошка алюминия М1 и двигатель дозировочного насоса Н1.

Соотношение расходов дозатора порошка алюминия и воды предварительно настраиваются таким образом, чтобы обеспечить необходимую концентрацию алюминия в суспензии. При накоплении суспензии до достижения задаваемого верхнего уровня в смесителе LТ02mах привод дозатора порошка алюминия М1 и двигатель дозировочного насоса Н1 одновременно отключаются. Испытания узла автоматического приготовления суспензии показали, что погрешность соотношения алюминия и воды в ней составляет ± 5%.

Разработана проектно-конструкторская и технологическая документация блоков генерации водорода опытного образца ЭТК модульного типа производительностью 10 нм³/ч по водороду. Внешний вид установки представлен на рис.3. Основные технологические узлы и элементы установки: система приготовления и подачи суспензии реагентов в реактор, реакторный узел, система вывода пароводородной смеси, система вывода смеси бемита и воды, пневмооборудование и спецарматура.

Разработана программа и методика предварительных и приемочных испытаний блоков генерации водорода опытного образца ЭТК. Проведены маркетинговые и патентные исследования, разработан бизнес-план, проведены патентование и мероприятия по организации опытно-промышленного производства порошка нанокристаллического бемита и блоков генерации водорода для автономных ЭТК и когенерационных энергоустановок.

Рисунок 3 - Разработанные и изготовленные узлы и агрегаты в составе блока
генерации водорода и получения бемита КЭУ-10

Характеристика физико-химических свойств порошка бемита представлена в табл. 1, а на рис. 4 - распределение кристаллитов по размеру.

Таблица 1 – Физико-химические свойства бемита

№ п/п	Наименование	Значение
1	2	3
1	Внешний вид	Высокодисперсный порошок белого цвета
2	Структура кристалла	Бемит
3	Размер кристаллитов, Å, не более	1000
4	Массовая доля примесей (в пересчете на прокаленное вещество), %, не более: диоксид кремния (SiO₂), оксид железа (Fe₂O₃), оксид натрия (Na₂O)	0,05 0,05 0,05
5	Массовая доля воды, %, не более	1,5
6	Удельная истинная плотность, г/см³, не более	3,06
7	Насыпная плотность, кг/м³, не более	600
8	Потеря массы при прокаливании (при температуре до 1100°С), %, не более	17
9	Удельная специфическая поверхность, м²/г, в пределах	40 ÷100
10	Дисперсный состав по фракциям, %: 1÷5 мкм 5÷10 мкм 10÷20 мкм >20 мкм	55 35 10 0

Рисунок 4 – Распределение частиц бемита по размерам

Область применения
Нанокристаллические частицы бемита обладают повышенной поверхностной энергией и активны к синтезу новых материалов, спеканию, адсорбции и т. д.

Совместно с рядом научно-исследовательских организаций (ИПМ НАН – Беларусь, ВИИТИН – г. Тамбов и др.), проведена экспериментальная оценка влияния модифицирующих добавок бемита на структуру и свойства различных материалов. Получены положительные результаты (рис. 5, табл. 2).

Рисунок 5 – Эффективность применения нанокристаллических
материалов в различных областях

Опробовали применение порошка бемита в качестве добавки к маслам (гидравлическое, автомобильное, трансмиссионное). На машинах трения наблюдали уменьшение изнашивания до 33%, что свидетельствует о модификации поверхности трения бемитом. Добавка бемита приводит также к продлению времени эксплуатации дизельных двигателей и агрегатов сельхозтехники (трансмиссии и ТНВД дизельных двигателей).

Добавку нанокристаллического бемита вводили в консервационные составы для защиты металлических деталей. Ускоренные климатические испытания показали повышение эксплуатационных характеристик материала. 1-5 % добавки снизило коррозионные потери в несколько раз.

Длительная выдержка втулочно-роликовых цепей в течение года в условиях открытой атмосферы и последующие ресурсные испытания также показали уменьшение изнашивания в 1,9-2,2 раза.

Таблица 2- Некоторые области применения нанокристаллического бемита

№	Область применения	Эффективность
1	Консервация металлических поверхностей	Консервационные составы	Коррозионные потери, г/м² при времени испытаний, сутки
			1	2	5	10	30
		Росойл-700	2	3,6	4,6	5,1	10
		3% бемита +Росойл-700	0,1	0,5	0,6	0,6	1,9
		Маякор	0,7	2,1	2,5	3,2	5,6
		3% бемита+Маякор	0,6	1	1,3	1,9	4,1
2	Смазочные масла (испытания на машине трения ЧШМТ)	Вид масла	Диаметр пятна износа, мм после испытаний при температуре, ºС
			20			150
		Масло моторное М-10 Г2к	0,25			0,19
		1% бемита+ М-10 Г2к	0,20			0,18
		Масло индустриальное И-20А	–			0,33
		1% бемита+ И-20А	–			0,22
3	Абразивные материалы	Ферромагнитная полировальная композиция	Интенсивность съема, мкм/мин			Шероховатость поверхности Rz, мкм
			Стекло К8		Кремний	Стекло К8	Кремний
		Без бемита	0,1		0,09	50	50
		30-40% бемита	0,12-0,15		0,14	0,1	0,07-0,1

Нанокристаллический бемит способен обеспечить необходимую структуру различным материалам. В качестве структурирующего компонента его применяли в составе ферромагнитного композита предназначенного для полирования высокотвердого кремния и стекла. Шероховатость поверхности снизилась до 100 нм, интенсивность съема возросла в 1,5 раза.

Опробовано применение нанокристаллического порошка корунда в составе полимерного композиционного материала. Образцы из композиционного материала на основе стеклоткани и смолы ПН-1 и ЭД-6 покрывали слоем состоящим из смолы и корунда. Микротвердость материала увеличилась в два раза. Выданы рекомендации по эксплуатации подобных покрытий в тонкостенных конструкциях, подвергающихся действию подвижных абразивных сред.

При введении нанокристаллического бемита в фольгу (в качестве упрочняющей фазы -1%) на 30-40% увеличилась микротвердость и повторяемость микрорельефа никелевых копий.

Введение нанокристаллического бемита (5-30 масс.%) в порошок корунда и глинозема приводит к замедлению процесса рекристаллизации и активации процесса спекания материала (температура спекания понижается на 100-150ºС). Эксплуатационные характеристики материала улучшились (прочность - на 35%, коэффициент трещиностойкости - на 25%). В карборундовых огнеупорах температура синтеза снизилась на 200 ºС, прочность увеличилась до 3-х раз.

Материал предоставлен Дунаевым А.В., с.н.с. лаборатории 5 ГНУ ГОСНИТИ

Контактная информация

Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта
и эксплуатации машинно-тракторного парка Россельхозакадемии (ГОСНИТИ).

Версия для печати
Дата обновления: 15:28 11.02.2010

Обсудить на открытом форуме
Обсудить на форуме участников ННС