|
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:
Тр1 – температура в верхней части реактора;
Тр4 – температура в нижней части реактора;
Тв1 – 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).
|
